使用不同的信号路径进行准确的5G毫米波测量

5G 承诺比前几代无线通信技术有显着改进，特别是在速度、延迟、带宽和质量方面。大部分增益来自对毫米波 (mmWave) 频谱中的 5G 频率范围 2 (FR2) 的利用。

毫米波频谱对于无线通信的使用很有吸引力，因为这些频段的利用率相对较低，这意味着有足够的可用带宽。毫米波传输比其他无线通信信号更小，因此非常适合在密集的城市地区进行高速传输，那里许多设备都在附近运行。

然而，毫米波在 5G 通信方面的优势被若干技术挑战部分抵消。首先，毫米波不会传播很远——毫米波传输很容易被大气吸收，不会穿透树木、建筑物墙壁和其他基础设施。使用无线 (OTA) 测试设备和方法准确测量毫米波设备的性能也很困难。毫米波的宽带宽——对于 5G 通信来说是一个非常有吸引力的特性——也会降低信噪比 (SNR)，因为来自信号的能量会在整个带宽内传播。最后，毫米波使用高阶调制方案来提高频谱效率，这反过来又需要提高误差矢量幅度 (EVM) 性能。

信号分析仪框图

随着信号强度的降低，用于测量信号强度的测试系统产生的噪声也会降低 SNR，从而影响结果。因此，信号分析仪旨在处理多种类型的测试应用，包括高功率和低功率模式、窄带和宽带信号模式、频谱或矢量模式。然而，这种多功能性将许多可能的组件引入信号路径，包括低噪声放大器 (LNA)、前置放大器、衰减器、预选滤波器等。应用或调整其中一些组件可以提高不同测试场景的测量精度。

本文探讨了毫米波频率带来的一些技术挑战，以及这些挑战对进行准确、可重复的测量所带来的困难。本文还提出了通过利用不同的信号路径设置来提高信号分析仪测量精度的策略。

路径损耗

过多的路径损耗是 5G 毫米波通信中最令人头疼和最常被提及的挑战之一。被测设备 (DUT) 和测量设备之间的路径损耗会降低 SNR，从而难以对 EVM、相邻信道功率和杂散发射等指标进行准确测量。

使问题更加复杂的是，组件和天线阵列的小尺寸消除了放置探针进行传导测试的可能性，因此需要使用 OTA（或辐射）测试。OTA 测试要求与毫米波传输的过度信号路径损耗相结合，需要对测试装置周围的辐射环境进行控制和校准。

抵消信号路径损耗需要灵活的信号分析仪硬件和软件，以便为特定信号和测量创建最佳解决方案。例如，信号分析仪可以在较高功率电平下应用衰减或在较低功率电平下应用前置放大器来测量各种输入信号。信号分析仪提供多个射频信号路径以降低噪声、提高灵敏度并减少信号路径损耗。

测量低电平信号（默认信号路径）

默认情况下，在信号分析仪的标准信号路径中，输入经过射频衰减器、前置放大器和预选器后到达混频器。该信号路径非常适合测量带宽小于 45 MHz 的低电平信号。

分析宽带矢量信号（微波预选器旁路）

毫米波宽带信号的测量尤其具有挑战性。当增加射频分析带宽以分析宽带宽矢量信号时，绕过信号分析仪的预选器是一个不错的选择，因为它允许宽带宽信号不受阻碍地通过射频链。绕过预选器不仅可以进行宽带分析，而且还消除了幅度漂移和预选器的通带纹波，进一步提高了测量的整体精度。

微波预选器旁路

改进调制分析（低噪声信号路径）

低噪声信号路径非常适合进行 EVM 测量和其他在更高功率电平下测试发射机调制质量的测量。由于放大器的增益、频率响应和插入损耗在较高频率下复合，因此绕过前置放大器路径和前置放大器中的有损开关可提供最佳射频信号路径。该路径减少了路径损耗以及前置放大器和开关产生的频率响应和噪声。为更高频率的宽带 EVM 测量结果选择此信号路径可提高测量灵敏度并提高信号保真度。

宽带调制分析（全旁路信号路径）

全旁路信号路径可减少路径损耗、提高信号保真度并提高测量灵敏度。与默认信号路径相比，全旁路信号路径可将毫米波频率的损耗降低多达 10 dB。

全旁路信号路径是低噪声信号路径和微波预选器旁路路径的组合，避免了低频段开关电路和微波预选器中的多个开关。虽然使用全旁路路径的优势很明显，但该路径也有一些缺点，包括潜在的带内成像和用于测试低功率信号的低 SNR。但是，通过添加带通滤波器消除感兴趣频带中的图像可以将 EVM 结果提高 1 到 2 dB。在测试低功率信号时，外部前置放大器也可以提高 SNR。

其他注意事项

影响 5G 毫米波测量精度的另一个关键因素是输入混频器电平。信号分析仪的输入混频器电平设置提供了失真性能和噪声灵敏度之间的折衷。如上所述，由于宽带噪声和过多的路径损耗，5G 毫米波信号的 SNR 会降低，从而导致较差的 EVM 和相邻功率比测量结果不能代表 DUT 的实际性能。

信号分析仪的输入混频器是另一个有助于克服 5G 毫米波频率测量挑战的工具。最佳混频器电平设置取决于测量硬件、输入信号特性和规范测试要求。还可以将外部 LNA 应用到信号分析仪的前端，以优化混频器的输入电平。一些新的信号分析仪，例如 Keysight N9042B UXA X 系列信号分析仪，在信号路径中包括一个 LNA 以及前置放大器。这使用户无需外部组件即可获得使用 LNA 优化混频器输入电平的好处。

为获得最佳 EVM 测量结果，信号分析仪的中频 (IF) 噪声必须足够低，以免进一步降低 SNR。数字化仪的输入信号必须足够高，但又不能太高而使数字化仪过载。最佳平衡是一种微妙的舞蹈，需要结合射频衰减器、前置放大器和基于信号峰值电平的 IF 增益值。新的信号分析仪使用户能够一键优化这些硬件设置，提高信噪比，同时避免数字化仪过载。但是，通常需要手动调整 IF 增益和 RF 衰减器等设置以获得最佳设置，从而产生最佳测量结果。

信号路径中的组件

进行准确的 5G 毫米波测量需要考虑的另一个关键因素是信号分析仪和 DUT 之间路径中组件的影响。信号路径中的组件会降低信号分析仪的整体测量精度。

必须考虑所有测试网络元素。

随着带宽越来越宽和频率上升到毫米波频谱，测量精度变得更加关键。由于误差容限较小，工程师需要找到消除频率响应误差的方法，这些误差发生在不同的频率上，会影响相位和幅度响应。信号分析仪提供内部校准程序来校正其频率响应。

信号分析仪和 DUT 之间的信号路径中的电缆、连接器、开关和固定装置会因频率响应误差而降低测量精度。使用不同的幅度校正配置和复杂的校正有助于消除频率响应，从而提供更准确的 DUT 性能图。

信号分析仪可以配置幅度和复数校正以校正频率响应（尽管需要高性能信号发生器或矢量网络分析仪来校准测试网络）。使用信号发生器结合功率计和传感器测量幅度，然后将校正值输入信号分析仪是进行幅度校正的有效方法。专为信号分析仪接收器测量系统设计的新型接收器校准器（例如 Keysight U9361 RCal 接收器校准器）提供了一种传输标准，可实现绝对幅度和复幅度和相位校正。

 

频率扩展器连接到接收器校准器。

在毫米波频率下对 5G 进行准确测量

5G 的前景——尤其是 5G 的 mmWave FR2 频段——是显而易见的。它在速度、带宽和性能方面提供了阶梯式的提升，并将最终实现全新的用例和业务模型。但是使用毫米波频率存在障碍，特别是在路径损耗方面，这使得进行准确、可重复的测量变得具有挑战性。了解和利用信号分析仪上的各种射频信号路径选项可以帮助您在进行 5G 毫米波测量时克服这些挑战。

审核编辑：汤梓红