5G, Radar und Satellitenkommunikation
Systembasierte Messkonzepte für Millimeterwellen
Messaufgaben im mmWave-Bereich übersteigen klassische HF-Ansätze: Hohe Verluste, große Bandbreiten, phasenkohärente Mehrkanalsysteme und breite Frequenzbereiche fordern neue Prüfarchitekturen. Die Lösung: systemorientierte Plattformen mit lokaler Frequenzumsetzung und skalierbarer Synchronisation.
Das Betriebsverhalten von Hochfrequenz(HF)-Systemen bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich (mmWave) bringt eine Reihe technischer Herausforderungen mit sich, die weit über konventionelle HF-Messungen hinausgehen. Entwickler sehen sich mit immer stärkeren Ausbreitungsverlusten der HF, komplexen Breitband-Wellenformen, strengen Link Budgets und der Notwendigkeit eines kohärenten Mehrkanalbetriebs für Beamforming und Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) konfrontiert.
Für diese Gegebenheiten braucht es Messtechnik, die nicht nur präzise ist, sondern die auch an sich weiterentwickelnde Standards angepasst werden kann, wie beispielsweise an 5G New Radio (NR) oder komplexe Radaralgorithmen. Die Lösung ist nicht ein einzelnes Messgerät, sondern ein systemorientiertes Konzept, das Verluste minimiert, Phasen- und Amplitudentreue gewährleistet und die Flexibilität der Testumgebung sicherstellt, wenn sich Standards und Architekturen weiterentwickeln. Schlüsselelemente dieses Konzepts sind die Platzierung der Frequenzumsetzung in der Nähe des zu prüfenden Geräts, die Verkürzung langer HF-Leitungswege, die Auslegung auf eine hohe Momentanbandbreite sowie der Aufbau eines modularen Synchronisations- und Signalkettenzugriffs, damit die Messungen auch bei steigender Prüfkomplexität reproduzierbar bleiben.
Frequenzabdeckung
Moderne Funksysteme decken einen breiten Bereich von Frequenzzuweisungen ab, von Mobilfunk- und WLAN-Bändern unter 6 GHz bis hin zu mmWave-Frequenzen im Bereich von 24 bis 52 GHz (5G FR2).
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigung wird dies bis in die K- und V-Bänder für Radar- und Satellitenkommunikation ausgeweitet. Im Rahmen einer praktischen Prüfstrategie betrachtet man die Frequenzabdeckung eher als Kontinuum und nicht als eine Reihe isolierter Bänder. Werden die Messfunktionen auf einer modularen Plattform konsolidiert, so reduziert dies die Anzahl der Verbindungen und Kalibrierschritte, was wiederum die Einfügungsdämpfung und das Risiko von Fehlanpassungen verringert.
Mit Architekturen, die eine breite Zwischenfrequenz(ZF)-Abdeckung mit optionalen mmWave-Frontends kombinieren, können Entwickler das gesamte System validieren – von Basisband-Wandlerstufen bis hin zur Funkleistung im Betrieb – ohne die Hardware ständig neu konfigurieren zu müssen. Der NI PXIe-5842 Vector Signal Transceiver (VST) von Emerson (Bild 1) mit einer Frequenzerweiterung bis zu 54 GHz steht beispielhaft für diese Art von Prüfplattform und bietet eine durchgehende Abdeckung von 30 MHz bis 54 GHz auf einer einzigen Plattform.
Bild 1. NI PXIe-5842 VST von Emerson mit 54-GHz-Frequenzerweiterung – Detailansicht.
Umgang mit Verlusten im mmWave-Bereich
Eine der drängendsten technischen Herausforderungen im mmWave-Bereich ist der Signalverlust. Bei 28 GHz und darüber weisen Koaxialkabel und Steckverbinder eine erhebliche Dämpfung auf, die oft mehrere Dezibel pro Meter übersteigt. Dieser Verlust wirkt sich direkt auf die Messgenauigkeit und die Leistungsabgabe an das zu prüfende Gerät (Device under Test; DUT) aus. Eine wirksame Strategie zum Umgang mit diesem Problem besteht darin, die Hochfrequenzkonversion so nah wie möglich an das DUT zu verlegen, lokal auf eine Zwischenfrequenz umzuwandeln und die Signale über verlustärmere ZF-Pfade zurück zum Hauptchassis zu leiten. Dieses Verfahren bewahrt die zugeführte Leistung, verbessert die Messgenauigkeit und ermöglicht gleichzeitige Sende- und Empfangswege mit unabhängiger Abstimmung.
Abgesetzte Remote-Radio-Module bieten zusätzliche Flexibilität für Anwender, die zwischen mmWave- und Sub-6-GHz-Prüfszenarien wechseln müssen, ohne dass Hardware dupliziert werden muss. Das ermöglicht zudem den gleichzeitigen Sende- und Empfangsbetrieb mit unabhängiger Frequenzabstimmung und unterstützt vielfältige Prüfkonfigurationen wie Loopback-Validierung, Beamformer-Charakterisierung und die Prüfung bidirektionaler Verbindungen.
Bandbreite und Modulationstreue
Für Funksysteme der nächsten Generation sind größere Bandbreiten und strenge Linearität erforderlich, um höhere Datenraten zu unterstützen. In Standards wie 5G NR und Wi-Fi 7/8 werden Kanalbandbreiten von bis zu 400 MHz spezifiziert, wobei Carrier-Aggregation die Gesamtbandbreiten in den GHz-Bereich verschiebt. Auch Anwendungen im elektromagnetischen Spektrum (EMSO) erfordern große Momentanbandbreiten, etwa für Zielsimulation und Spektrumüberwachung.
Bei einer Prüflösung auf Systemebene werden Breitband-Frontends mit interner Kalibrierung und Amplituden-/Phasenkorrekturen kombiniert, sodass Anwender Breitbandsignale erfassen und reproduzieren können, ohne mehrere Messungen zusammenzufügen. Das Sicherstellen eines niedrigen EVM (Error-Vector-Magnitude) über aggregierte Träger und breite Kanäle hinweg ist für die Validierung von Algorithmen zur digitalen Vorverzerrung (Digital Predistortion; DPD), des Durchsatzes bei mehreren Trägern und fortschrittlicher Modulationsschemata unerlässlich.
Bild 2. Schematische Darstellung von zwei NI PXIe-5842 VSTs mit 54-GHz-Erweiterung und Phasenkohärenz.
Synchronisation und MIMO-Tests
MIMO- und Beamforming-Architekturen bringen Herausforderungen hinsichtlich Synchronisation mit sich. Mehrere Antennen müssen kohärent arbeiten, was einen Abgleich im Sub-Nanosekundenbereich über alle Kanäle hinweg erfordert. Bei herkömmlichen Prüfaufbauten besteht oft die Schwierigkeit, die Phasenkohärenz aufrechtzuerhalten, wenn sie auf eine Vielzahl von Ports skaliert werden. Eine skalierbare Synchronisation stellt daher eine zentrale Systemanforderung dar: gemeinsame Referenzverteilung, deterministische Trigger und Zeitstempel sowie modulare Taktverteilung, die sich über mehrere Instrumente hinweg skalieren lässt. Mit Architekturen, die eine gemeinsame Nutzung kohärenter Lokaloszillatoren-(LO) und eine präzise Zeitverteilung ermöglichen, können Teams Phased-Array-Antennen, Szenarien mit mehreren Sendern und Multiport-Antennensysteme ohne externe ad-hoc-Synchronisationshardware validieren. So können Entwickler beispielsweise zwei Instrumente innerhalb eines einzigen Gehäuses synchronisieren (Bild 2) oder die Synchronisation über mehrere Gehäuse hinweg mithilfe von MXI-Links erweitern. Diese Fähigkeit ist essenziell für die Validierung von Dual-Polarisationsantennen, die Erzeugung von Multi-Emitter-Szenarien in Systemen für Operationen in elektromagnetischem Spektrum (EMSO) oder Massive-MIMO-Antennenarrays in 5G-Basisstationen. Durch die gemeinsame Nutzung von LO-Signalen über Module hinweg gewährleistet das System einen kohärenten Betrieb, ohne dass externe Synchronisationshardware erforderlich wäre.
Multiband-Prüfzugänge entlang des HF-Signalpfads
Moderne integrierte Hochfrequenzschaltungen (RFIC) vereinen häufig mehrere Frequenzkonversionen, Beamforming-Stufen und Phased-Array-Ausgänge. Um solche Bauelemente zu prüfen, ist der Zugriff sowohl auf ZF- als auch auf HF-Punkte in der Signalkette erforderlich. Instrumente, die bidirektionale Prüfanschlüsse sowohl für ZF-Frequenzen (30 MHz bis 26,5 GHz) als auch für mmWave-Frequenzen (22,5 bis 54 GHz) bieten, machen externe Schaltung oder Auswertung überflüssig, wodurch sich die Systemkomplexität reduziert und die Wiederholbarkeit verbessert.
Beim Prüfen eines Beamforming-ICs mit integrierter Aufwärtskonversion können Techniker und Ingenieure beispielsweise direkt an ZF-Anschlüsse anschließen, um die Konversionsstufen zu validieren, und gleichzeitig auf mmWave-Anschlüsse zugreifen, um Abstrahlcharakteristika zu messen. Dieses Dual-Access-Konzept ermöglicht eine umfassende Validierung ohne Neukonfiguration des Prüfstands.
Farris Alhorr ist Principal NI Product Manager, Test and Measurement bei Emerson.
Anwendungen auf Systemebene
5G-OTA-Validierung: Messungen in Over-the-Air-(OTA)-Prüfkammern für Beamforming-Arrays erfordern minimale Ausbreitungsverluste sowie präzise Stimuli und Erfassung in der Kammer.
Radar und Operationen im elektromagnetischen Spektrum (EMSO): Breitband-Aufzeichnung/Wiedergabe und die Erzeugung von Multi-Emitter-Szenarien hängen von der Bandbreite und einer präzisen Synchronisation ab.
Satellitenkommunikations- und Hochfrequenzverbindungen: Die Validierung von Telemetrie und Datenverbindungen profitiert von Architekturen, die höhere Frequenzbänder abdecken und gleichzeitig die Genauigkeit auf Zwischenfrequenzebene erhalten.
Prototypenentwicklung und Produktionstests: Flexible, neu konfigurierbare Testumgebungen reduzieren den Bedarf an zusätzlicher Hardware und beschleunigen den Übergang von Forschung und Entwicklung zur Fertigung.
Kyle MacCoy ist NI Marketing Engineer, Aerospace, Defense & Government, Test and Measurement bei Emerson.
Fazit
Durch den Übergang zu mmWave-Frequenzen müssen Techniker und Ingenieure sich Herausforderungen in den Bereichen Signalverlust, Signalqualität bei hoher Bandbreite, Synchronisation und Multiband-Integration stellen. Prüfinstrumente und -architekturen, die diese Herausforderungen durch die Kombination von breiter Frequenzadeckung, lokaler Frequenzkonversion, hoher (De-)Modulationsqualität (EVM) und phasenkohärenter Synchronisation angehen, bieten ein robustes Ökosystem für diese neuen Herausforderungen. Für Testumgebungen auf Systemebene – sei es bei der Validierung von 5G-Basisstationen, Endgeräten, der Qualifizierung von Verbindungen der Satellitenkommunikation (SATCOM) oder der Prototypenentwicklung von Radararrays – bieten diese Lösungen ein technisch fundiertes Konzept, das die Komplexität reduziert und gleichzeitig strenge Leistungsanforderungen erfüllt.