Caratterizzazione via radio (OTA) di schiere di antenne passive per effettuare test rapidi

Tendenza di mercato

La tecnica di formazione elettronica del fascio (beamforming) sta sempre più diventando la tecnologia preferita per il settore delle comunicazioni wireless e satellitari.

Il settore delle comunicazioni cellulari wireless è attualmente impegnato nelle transizione tecnologica dalle reti 4G a 5G. La messa in esercizio di una rete commerciale 5G richiederebbe l'utilizzo di un grande numero di piccole celle con una limitata copertura radio (small cell). Molte stazioni base con antenne composte da schiere di più elementi utilizzate con tecniche di beamforming supporteranno questo aggiornamento tecnologico dell'infrastruttura.

I prototipi dei terminali utente (UE, User Equipment) per applicazioni 5G sono attualmente progettati per sfruttare antenne ad array che supporteranno la variazione dell'orientamento (beamsteering) e della forma (beamforming) del loro diagramma di irradiazione in modo adattativo.

Nel settore delle comunicazioni satellitari, un significativo aumento nel numero di satelliti in orbita terrestre bassa (LEO, Low Earth Orbit) ha reso necessario sostituire le tradizionali antenne paraboliche delle stazioni terrestri con antenne ad array pilotate elettronicamente con tecniche di beamforming. I satelliti LEO si muovono a velocità estreme e hanno transponder a larghezza di banda maggiore. Le antenne di tutte le stazioni devono essere in grado di guidare elettronicamente il fascio con elevata accuratezza di puntamento del fascio stesso per mantenere le comunicazioni. Pertanto, durante la fase di ricerca e sviluppo, è importante generare una matrice dei pesi (codebook) per ciascun singolo array composto da più elementi di antenna.

Tutte questi schiere di antenne passive devono verificate non solo nel laboratorio di ricerca e sviluppo, ma anche nella linea di produzione prima di essere integrati in sistemi attivi di antenne per beamforming. Trascurare l'importanza delle verifica degli array passivi durante la produzione può essere costoso se un difetto di produzione o di progettazione non viene rilevato tempestivamente.

Sfide per le misurazioni

Il metodo tradizionale per caratterizzare il diagramma di irradiazione di un antenna, ad esempio per le diverse modalità di polarizzazione per ampiezza e fase, che prevede l'utilizzo di un analizzatore di reti per verificare e caratterizzare ciascun singolo elemento radiante in termini perdita di ritorno, oppure l'utilizzo di una camera anecoica come sistema di ricezione multiplo, richiede troppo tempo e non tiene conto delle prestazioni complessive dell'array. La caratterizzazione completa dei parametri S di più elementi e il test delle prestazioni del beamforming di trasmissione dell'array devono essere eseguiti a elevata velocità di misurazione.

La misurazione delle caratteristiche di beamforming in modalità di trasmissione (TX) richiederebbe più segnali in coerenza di fase che mantengono la calibrazione su un'ampia gamma di frequenze.

Un requisito chiave per effettuare collaudi rapidi in linea di produzione è la riduzione al minimo del tempo necessario per il test. La commutazione elettronica tra una misurazione con caratterizzazione completa dei parametri S e una misurazione del beamforming in trasmissione senza dover eseguire un ciclo completo di riconnessione delle apparecchiature di misura consentirebbe di risparmiare molto tempo.

Soluzione Rohde & Schwarz

Lo strumento R&S^®ZVA è un analizzatore di reti vettoriali unico nel suo genere che soddisfa tutte le sfide poste dal test di array di antenne. L'analizzatore R&S^®ZVA può commutare elettronicamente tra la caratterizzazione completa dei parametri S e la misurazione delle caratteristiche del beamforming in trasmissione.

L'analizzatore R&S^®ZVA è dotato di più sorgenti interne che possono essere simultaneamente attive e che possono essere programmate in modo da generare segnali con valori arbitrari di frequenza, fase, offset di ampiezza e ritardo dei segnali. Per aumentare il numero di sorgenti coerenti, è necessario collegare in cascata più analizzatori vettoriali. Grazie all'algoritmo di sintonizzazione della fase, è possibile collegare in cascata due o più VNA mantenendo nel contempo la relazione di fase calibrata nel piano di misurazione. È anche possibile verificare la diafonia e l'accoppiamento multiplo fra gli elementi di antenna. L'analizzatore vettoriale può applicare la correzione degli errori per generare e misurare accuratamente i segnali su un'ampia gamma di frequenza.

Un analizzatore di spettro o un sensore di potenza è posizionato nel campo lontano sul lato di ricezione per verificare il diagramma di radiazione dell'antenna o per generare una matrice di codici per l'array di antenne usate nella trasmissione con beamforming. La scelta del ricevitore dipende dal requisito di gamma dinamica. La schiera di antenne in esame (AAUT, Antenna Array Under Test) deve essere posizionata sopra una piattaforma girevole e ruotata con un angolo di scansione predefinito attraverso la piattaforma stessa. Per ridurre l'effetto di errore della direttività del fascio nelle applicazioni in cui gli array di antenne lavorano su un'ampia gamma di frequenze, le linee di ritardo vengono preferite rispetto ai variatori di fase. L'analizzatore R&S^®ZVA può generare offset di fase arbitrari e un vero ritardo temporale del segnale.

In laboratorio e in linea di produzione, questa soluzione di Rohde & Schwarz offre velocità, accuratezza e comodità per collaudare gli array di antenne passive utilizzata nella trasmissione con beamforming.