5G 承諾比前幾代無線通信技術有顯著改進，特別是在速度、延遲、帶寬和質量方面。大部分增益來自對毫米波 (mmWave) 頻譜中的 5G 頻率范圍 2 (FR2) 的利用。

毫米波頻譜對于無線通信的使用很有吸引力，因為這些頻段的利用率相對較低，這意味著有足夠的可用帶寬。毫米波傳輸比其他無線通信信號更小，因此非常適合在密集的城市地區(qū)進行高速傳輸，那里許多設備都在附近運行。

然而，毫米波在 5G 通信方面的優(yōu)勢被若干技術挑戰(zhàn)部分抵消。首先，毫米波不會傳播很遠——毫米波傳輸很容易被大氣吸收，不會穿透樹木、建筑物墻壁和其他基礎設施。使用無線 (OTA) 測試設備和方法準確測量毫米波設備的性能也很困難。毫米波的寬帶寬——對于 5G 通信來說是一個非常有吸引力的特性——也會降低信噪比 (SNR)，因為來自信號的能量會在整個帶寬內傳播。最后，毫米波使用高階調制方案來提高頻譜效率，這反過來又需要提高誤差矢量幅度 (EVM) 性能。

信號分析儀框圖

隨著信號強度的降低，用于測量信號強度的測試系統(tǒng)產生的噪聲也會降低 SNR，從而影響結果。因此，信號分析儀旨在處理多種類型的測試應用，包括高功率和低功率模式、窄帶和寬帶信號模式、頻譜或矢量模式。然而，這種多功能性將許多可能的組件引入信號路徑，包括低噪聲放大器 (LNA)、前置放大器、衰減器、預選濾波器等。應用或調整其中一些組件可以提高不同測試場景的測量精度。

本文探討了毫米波頻率帶來的一些技術挑戰(zhàn)，以及這些挑戰(zhàn)對進行準確、可重復的測量所帶來的困難。本文還提出了通過利用不同的信號路徑設置來提高信號分析儀測量精度的策略。

路徑損耗

過多的路徑損耗是 5G 毫米波通信中最令人頭疼和最常被提及的挑戰(zhàn)之一。被測設備 (DUT) 和測量設備之間的路徑損耗會降低 SNR，從而難以對 EVM、相鄰信道功率和雜散發(fā)射等指標進行準確測量。

使問題更加復雜的是，組件和天線陣列的小尺寸消除了放置探針進行傳導測試的可能性，因此需要使用 OTA（或輻射）測試。OTA 測試要求與毫米波傳輸的過度信號路徑損耗相結合，需要對測試裝置周圍的輻射環(huán)境進行控制和校準。

抵消信號路徑損耗需要靈活的信號分析儀硬件和軟件，以便為特定信號和測量創(chuàng)建最佳解決方案。例如，信號分析儀可以在較高功率電平下應用衰減或在較低功率電平下應用前置放大器來測量各種輸入信號。信號分析儀提供多個射頻信號路徑以降低噪聲、提高靈敏度并減少信號路徑損耗。

測量低電平信號（默認信號路徑）

默認情況下，在信號分析儀的標準信號路徑中，輸入經過射頻衰減器、前置放大器和預選器后到達混頻器。該信號路徑非常適合測量帶寬小于 45 MHz 的低電平信號。

分析寬帶矢量信號（微波預選器旁路）

毫米波寬帶信號的測量尤其具有挑戰(zhàn)性。當增加射頻分析帶寬以分析寬帶寬矢量信號時，繞過信號分析儀的預選器是一個不錯的選擇，因為它允許寬帶寬信號不受阻礙地通過射頻鏈。繞過預選器不僅可以進行寬帶分析，而且還消除了幅度漂移和預選器的通帶紋波，進一步提高了測量的整體精度。

微波預選器旁路

改進調制分析（低噪聲信號路徑）

低噪聲信號路徑非常適合進行 EVM 測量和其他在更高功率電平下測試發(fā)射機調制質量的測量。由于放大器的增益、頻率響應和插入損耗在較高頻率下復合，因此繞過前置放大器路徑和前置放大器中的有損開關可提供最佳射頻信號路徑。該路徑減少了路徑損耗以及前置放大器和開關產生的頻率響應和噪聲。為更高頻率的寬帶 EVM 測量結果選擇此信號路徑可提高測量靈敏度并提高信號保真度。

寬帶調制分析（全旁路信號路徑）

全旁路信號路徑可減少路徑損耗、提高信號保真度并提高測量靈敏度。與默認信號路徑相比，全旁路信號路徑可將毫米波頻率的損耗降低多達 10 dB。

全旁路信號路徑是低噪聲信號路徑和微波預選器旁路路徑的組合，避免了低頻段開關電路和微波預選器中的多個開關。雖然使用全旁路路徑的優(yōu)勢很明顯，但該路徑也有一些缺點，包括潛在的帶內成像和用于測試低功率信號的低 SNR。但是，通過添加帶通濾波器消除感興趣頻帶中的圖像可以將 EVM 結果提高 1 到 2 dB。在測試低功率信號時，外部前置放大器也可以提高 SNR。

其他注意事項

影響 5G 毫米波測量精度的另一個關鍵因素是輸入混頻器電平。信號分析儀的輸入混頻器電平設置提供了失真性能和噪聲靈敏度之間的折衷。如上所述，由于寬帶噪聲和過多的路徑損耗，5G 毫米波信號的 SNR 會降低，從而導致較差的 EVM 和相鄰功率比測量結果不能代表 DUT 的實際性能。

信號分析儀的輸入混頻器是另一個有助于克服 5G 毫米波頻率測量挑戰(zhàn)的工具。最佳混頻器電平設置取決于測量硬件、輸入信號特性和規(guī)范測試要求。還可以將外部 LNA 應用到信號分析儀的前端，以優(yōu)化混頻器的輸入電平。一些新的信號分析儀，例如 Keysight N9042B UXA X 系列信號分析儀，在信號路徑中包括一個 LNA 以及前置放大器。這使用戶無需外部組件即可獲得使用 LNA 優(yōu)化混頻器輸入電平的好處。

為獲得最佳 EVM 測量結果，信號分析儀的中頻 (IF) 噪聲必須足夠低，以免進一步降低 SNR。數字化儀的輸入信號必須足夠高，但又不能太高而使數字化儀過載。最佳平衡是一種微妙的舞蹈，需要結合射頻衰減器、前置放大器和基于信號峰值電平的 IF 增益值。新的信號分析儀使用戶能夠一鍵優(yōu)化這些硬件設置，提高信噪比，同時避免數字化儀過載。但是，通常需要手動調整 IF 增益和 RF 衰減器等設置以獲得最佳設置，從而產生最佳測量結果。

信號路徑中的組件

進行準確的 5G 毫米波測量需要考慮的另一個關鍵因素是信號分析儀和 DUT 之間路徑中組件的影響。信號路徑中的組件會降低信號分析儀的整體測量精度。

必須考慮所有測試網絡元素。

隨著帶寬越來越寬和頻率上升到毫米波頻譜，測量精度變得更加關鍵。由于誤差容限較小，工程師需要找到消除頻率響應誤差的方法，這些誤差發(fā)生在不同的頻率上，會影響相位和幅度響應。信號分析儀提供內部校準程序來校正其頻率響應。

信號分析儀和 DUT 之間的信號路徑中的電纜、連接器、開關和固定裝置會因頻率響應誤差而降低測量精度。使用不同的幅度校正配置和復雜的校正有助于消除頻率響應，從而提供更準確的 DUT 性能圖。

信號分析儀可以配置幅度和復數校正以校正頻率響應（盡管需要高性能信號發(fā)生器或矢量網絡分析儀來校準測試網絡）。使用信號發(fā)生器結合功率計和傳感器測量幅度，然后將校正值輸入信號分析儀是進行幅度校正的有效方法。專為信號分析儀接收器測量系統(tǒng)設計的新型接收器校準器（例如 Keysight U9361 RCal 接收器校準器）提供了一種傳輸標準，可實現(xiàn)絕對幅度和復幅度和相位校正。

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頻率擴展器連接到接收器校準器。

在毫米波頻率下對 5G 進行準確測量

5G 的前景——尤其是 5G 的 mmWave FR2 頻段——是顯而易見的。它在速度、帶寬和性能方面提供了階梯式的提升，并將最終實現(xiàn)全新的用例和業(yè)務模型。但是使用毫米波頻率存在障礙，特別是在路徑損耗方面，這使得進行準確、可重復的測量變得具有挑戰(zhàn)性。了解和利用信號分析儀上的各種射頻信號路徑選項可以幫助您在進行 5G 毫米波測量時克服這些挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅