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8-2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Titelstory

Titelstory Preisgünstige Lösungen für den Test von 28-GHz-5G-Geräten mit 6-GHz-Messtechnik Bild 1: Grundstruktur des Setups, um ein 2x24-GHz-LO-Signal mit je 15 dBm für die Up- und Down-Umsetzung zwischen Spectrum Analyzer und DUT zu generieren Originaltitel: Affordable Solutions for Testing 28 GHz 5G Devices with Your 6 GHz Lab Instrumentation Application Report Mini- Circuits 3/15/18 Rev OR X4 Autor: Jose Garcia und Miroslav Karas Mini-Circuits Field Applications Engineers Mitwirkung: Brandon Kaplan übersetzt von FS Dieser Artikel beschreibt eine Reihe von relativ erschwinglichen Test-Setups, welche auf die ab Lager lieferbaren Mini- Circuits-Komponenten setzen, und es erlauben, Geräte und Module für den Einsatz im 28-GHz-Band mit einem 6-GHz- Spektrum- oder -Netzwerkanalysator und einem Signalgenerator für Frequenzen bis 6 GHz zu untersuchen. Dazu werden die funktionellen Blockanordnungen vorgestellt und hinsichtlich der empfohlenen Komponenten und möglichen Erweiterungen erläutert. Die Fähigkeiten, die den drahtlosen 5G-Standard definieren werden, erfordern die Erschließung größerer Bandbreiten in noch mehr Regionen des elektromagnetischen Spektrums als bei den gegenwärtigen drahtlosen Technologien. Die 5G-Kommunikation wird möglicherweise mehrere Bänder zwischen etwa 6 und 60 GHz beanspruchen. Zurzeit konzentrieren sich die Entwicklungsanstrengungen auf die Einteilung der Sub-6-GHz-Bänder für die Fahrzeug-Konnektivität und Verbindungen über weitere Entfernungen sowie die Bänder 26, 28, 38 und 60 GHz für verbesserte mobile Breitbandapplikationen. Die Einbeziehung höherer Frequenzen und die Multibandnatur dieser Technologien erzwingen eine Vielzahl von einzigartigen neuen Zielvorstellungen für die Entwickler von Baugruppen und Modulen für 5G-Geräte und -Netzwerke. Wichtig dabei sind die höheren Kosten für Messungen und Tests, bedingt durch die noch nie zu verzeichnende Anzahl von besonders hohen Frequenzen. Viele HF-Testlabors sind bereits mit Testanordnungen und Messgeräten für Einsatzfrequenzen bis 6 GHz ausgestattet. Wenn nun Test- und Messmöglichkeiten für Applikationen über 6 GHz und bis herauf zu 28 GHz oder gar 38 GHz geschaffen werden müssen, dann können sich Kosten im Bereich einiger 10.000 bis zu mehrerer 100.000 Dollar ergeben. Doch zum Glück ist es mit einiger Kreativität möglich, einige der benötigten kostspieligen Fertigkomponenten durch Equipment zu ersetzen, das bereits im Labor vorhanden ist, um Messungen und Tests an Komponenten und Geräten für höhere Frequenzen durchzuführen. Test-Setup-Überblick Im Wesentlichen geht es darum, Signale mit einem Breitbandmischer hoch- und herunterzumischen. In diesem Fall wird die Schaffung eines Test-Setups für den Uplink- und Downlink-Test von 28-GHz-DUTs gewünscht, wobei dieser Testaufbau einen Spectrum Analyzer und eine Signalquelle (Synthesizer oder Signalgenerator) nutzen soll, der/ die jeweils nur für Frequenzen bis 6 GHz ausgelegt ist. Für den Downlink-Test kann ein breitbandiger Mischer mit einer L-Frequenz von 24 GHz genutzt werden, um ein 4-GHz-Testsignal vom Signalgenerator auf 28 GHz für das DUT umzusetzen. Für den Uplink-Test lässt sich der selbe Mischer verwenden, um nun von 28 GHz vom DUT herab auf 4 GHz in den Analyzer umzusetzen. Der MMIC-Mixer MDB-44H+ von Mini-Circuits eignet sich ideal für diese Anwendung. Der MDB-44H+ hat einen ZF- Bereich von DC bis 15 GHz und einen LO-Frequenz/HF-Bereich von 10 bis 40 GHz. Er lässt sich als Up- und Down-Konverter nutzen und weist eine geringe Mischdämpfung sowie eine exzellente Harmonischen-Unterdrückung auf. Dieser Mixer ist konvenionell verfügbar bereits montiert auf dem Testboard TB- 973-MDB44HC+ mit 2,92-mm- Buchsen, wie sie für Frequenzen über 26,5 GHz erforderlich sind. Dabei ist es leicht möglich, Zwischenverbindungen mit 3,5-mmund SMA-Verbindern zu realisieren, wie man sie an Testkabeln, DUTs und Testequipment vorfindet. Aufbau einer 24-GHz- LO-Quelle Um das skizzierte Frequenzumsetzungs-Konzept zu realisieren, benötigt man eine 24-GHz- Quelle, aufgebaut vorteilhaft gemäß Bild 1. Diese stellt den LO für den Mischprozess. Damit werden die Kosten für einen 38 hf-praxis 8/2018

Titelstory Bild 2: Blockaufbau des Setups zum Test von 28-GHz-Anwender-Equipment mit einem 6-GHz-Spektrumanalysator oder -Signalgenerator kostspieligen 12- oder 24-GHz- Generator eingespart. Ausgangspunkt ist ein 6-GHz-Synthese- Signalgenerator (DDS). Koaxiale Verstärker werden genutzt, um korrekte Signalpegel zu erzeugen, und reflexionsfreie Filter unterdrücken unerwünschte Harmonische am Multipliziererausgang. Um bei diesem Vorgehen auch noch die Anzahl der Komponenten und somit die Kosten zu senken, wird die LO- Quelle im Ausgang gesplittet, sodass gleichzeitig die Signale für Up- und Down-Konverter verfügbar sind. Der Mischer MDB-44H+ arbeitet optimal mit einem LO-Level von 15 dBm, sodass unsere LO-Quelle diese Leistung auch zweimal zur Verfügung stellen sollte. Ein ultrabreitbandiger Splitter/Combiner liegt daher im Ausgang. Anzumerken wäre, dass dieses Blockkonzept modifizierbar ist gemäß den individuellen Voraussetzungen beim Anwender. In jedem Fall sind die störenden Einflüsse der realen Welt, wie parasitäre Effekte, Übergangsdämpfungen und Rauschstörungen zu beachten. Dennoch sind praktisch recht verschiedene Kombinationen von Vervielfachern (Multiplizierern), Filtern, Verstärkern und Attenuators möglich, auch über den skizzierten Aufbau hinaus (zusätzlich). Mit Spectrum Analyzer... Ein Messsystem mit Up-/Down- Konverter auf Basis eines Spektrumanalysators mit 24-GHz- LO für Signalfrequenzen im Bereich 4...28 GHz kann in mehreren Varianten aufgebaut werden. Ein Beispiel zeigt Bild 2. Dieses Setup erfordert ein Hochpassfilter mit einer Cutoff- Frequenz von 24 GHz, um das untere Seitenband des unkonvertierten Signals zu unterdrücken. Mini-Circuits kann eine ganze Reihe geeigneter Filter bereitstellen. Als interessante Erweiterung kann der Anwender den Spectrum Analyzer durch ein Oszilloskop ersetzen, um auch im Zeitbereich eine Analyse von 5G-Signalen durchführen zu können. ... oder Vector Network Analyzer Ein Up-/Down-Konverter zur Messung von 5G-Signalen auf Basis eines VNAs setzt im Wesentlichen auf die selben Komponenten wie beim Spektrumanalysator. Diese Konfiguration wird in Bild 3 gezeigt. Sie erlaubt ein präzises Messen von skalaren Verhältnissen wie Einfügedämpfung (insertion loss), Verstärkung (gain) und Phasenverhältnissen (insertion phase) auf höheren Frequenzen mit dem budget-freundlichen Vector Network Analyzer (VNA) für Frequenzen bis 6 GHz. Ein noch weiter fortgeschrittenes Konzept lässt sich mit einem VNA realisieren, der den direkten Zugriff auf das Empfangsteil erlaubt. Zwar werden theoretisch vollständig vektorkorrekte Messungen bereits mit einem Setup gemäß Bild 3 möglich, jedoch sind die Verluste im Mischer (~8 dB conversion loss) signifikant genug, um die internen Kopplungen im VNA zu beeinflussen und behindern somit eine genaue Kalibrierung. Um diesem Problem beizukommen, kann man die externen Koppler erst nach dem Mischer nutzen, um die Gesamtleistung (overall system directivity) zu verbessern und eine genauere Vektorkalibrierung und somit Messung zu ermöglichen. Bild 4 zeigt solch ein Setup mit voller Vektorkalibrierungs- und Messfähigkeit. Zu beachten wäre, dass hier ein Vierweg-40- GHz-Splitter und eine 24-GHz- LO-Quelle mit 21 dBm Ausgangsleistung benötigt werden, um das LO-Signal in vier Kanäle zu leiten. Die Koppler sollten für den Frequenzbereich 24 bis 30 GHz und ein Koppelverhältnis von etwa 20 dB ausgelegt sein, um Fehlanpassungen im Empfängerpfad wirkungsvoll zu kompensieren. Mini-Circuits ist derzeit in der Lage, Koppler mit einem Frequenzbereich von 20 bis 40 GHz zu liefern, welche sich optimal hf-praxis 8/2018 39

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel