Test di un amplificatore di potenza da 24-28 GHz per le nuovi reti a standard 5G New Radio: sfide e risultati

Tudor Williams¹, Darren Tipton², Florian Ramian³

¹ Compound Semiconductor Applications Catapult, Regus House, Falcon Drive, Cardiff Bay, Cardiff CF10 4RU, Regno Unito

² Rohde and Schwarz UK Ltd, Harvest Crescent, Fleet, GU51 2UZ, Regno Unito

³ Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. Muehldorfstrasse, Monaco di Baviera, Germania

Introduzione

Fino a poco tempo fa, gli standard di comunicazione mobile 3GPP prevedevano l'utilizzo di bande di frequenza intorno ai 2-3 GHz con larghezze di banda del singolo canale non superiori a 20 MHz. Con la pubblicazione delle specifiche 3GPP Release 15 relative alla tecnologia 5G New Radio (5G NR), tutto cambia per offrire larghezze di banda di canale fino a 100 MHz in uno spettro intorno ai 6 GHz e fino a 400 MHz nello spettro delle onde millimetriche.

Confrontando le misure richieste dallo standard LTE e quelle previste nella versione 5G delle specifiche 3GPP 38.141, si può vedere che molti dei metodi di misura validi per le reti LTE sono stati duplicati e trasformati nei loro equivalenti per le reti 5G NR. Tuttavia, a causa del numero di “modalità” aggiuntive previste nello standard 5G New Radio, il numero di potenziali misure da effettuare è aumentato notevolmente. Le differenze principali sono:

• Gamma di frequenze 1 FR1 (sotto i 6 GHz) e FR2 (onde millimetriche)
• Misure via cavo (condotte) e via radio (irradiate)
• FDD, TDD
• Diverse larghezze di banda (da 5 a 100 MHz o 400 MHz)
• Spaziatura sottoportanti (SCS)

Le nuove sfide da affrontare nelle misure

Il documento 3GPP 38.141-1 descrive le misure da effettuare via cavo (conducted), mentre il documento 38.141-2 descrive le misure da effettuare via radio (radiated). Questi documenti specificano che sono richieste prestazioni di EVM <4,5% per segnali con modulazione 256QAM su entrambe le gamme di frequenza FR1 e FR2.

Il documento continua dettagliando i requisiti di calcolo dell'EVM per ciascuna larghezza di banda di canale, le dimensioni della FFT e i requisiti della finestra EVM per ciascuna spaziatura delle sottoportanti che vanno utilizzate per l’elaborazione e l'analisi dei segnali.

Mentre le misure di EVM sulla banda FR1 possono essere effettuate sia in modalità condotta (via cavo), sia in modalità irradiata (via radio), le misure definite dallo standard 3GPP sulla banda FR2 dovranno essere eseguite solo in modalità irradiata. Si tratta di una differenza sostanziale rispetto agli standard esistenti, ed è il risultato diretto della necessità di utilizzare componenti con un livello di integrazione molto più alto alle frequenze delle onde millimetriche. Infatti, per i componenti a onde millimetriche si prevede che non sarà presente alcun punto nel circuito dove potersi collegare per effettuare misure via cavo, il che aumenta notevolmente sia la difficoltà di progettazione del sistema, sia la complessità dei test da eseguire per verificarne il corretto funzionamento.

Visto l'impegnativo limite del 4,5% da rispettare per l'EVM nelle misure nella gamma di frequenze FR2, ci sono tre punti chiave da considerare e difficoltà da mitigare che lo standard non affronta in modo esaustivo:

• 1. Influenza dell'EVM dovuta alla risposta in frequenza (ampiezza e fase)
• 2. Influenza dell'EVM dovuta al rumore
• 3. EVM dovuto alla distorsione, ad esempio per il comportamento non lineare dell’amplificatore di potenza (PA)

Lo standard tratta ampiamente l’influenza dell'EVM nelle misure, poiché la definizione di EVM riportata al paragrafo in 6.6.3.1 del documenti 3GPP 38.141 include l’utilizzo dell’equalizzazione. Questo approccio, di per sé, correggerà la risposta in frequenza e fase del canale durante la misura.

È più difficile trattare l’influenza sulle misure dell'EVM dovuta al rumore, sicuramente in un ambiente con modalità di misura via radio (OTA, Over The Air). È necessario considerare l’intero budget di collegamento del sistema di misura, in modo tale che le prestazioni di rumore del sistema non contribuiscano all’EVM del dispositivo misurato.

Gli effetti del punto chiave 1 possono essere caratterizzati e compensati utilizzando un equalizzatore, quello del punto chiave 3 può essere caratterizzato e compensato tramite pre-distorsione digitale, mentre quello del punto 2 può essere solo caratterizzato da una misura EVM, ma non può essere compensato, bensì solo minimizzato dalla progettazione. La figura 1 mostra le prestazioni grezze di un sistema di misura dell'EVM senza alcun DUT (dispositivo in prova) collegato, per mettere in evidenza le necessità di ottimizzare il budget di collegamento alle frequenze delle onde millimetriche, che ha una gamma dinamica molto inferiore se confrontata con le misure condotte (via cavo) nelle bande inferiori a 6 GHz.

Per collaudare il DUT preso in esame in questa presentazione, poiché il dispositivo era connettorizzato, si è scelto l'approccio di utilizzare forme d’onda conformi allo standard 3GPP e metodi di analisi che permettano di ottenere risultati utili a essere forniti come input per la progettazione globale del sistema.

Configurazione del test

La configurazione di misura utilizzata è illustrata nella figura 1. Prevede un generatore di segnali vettoriali SMW200A con 40 GHz di larghezza di banda RF e fino a 2 GHz di larghezza di banda di modulazione, un analizzatore di spettro e segnali FSW43 con 43,5 GHz di larghezza di banda RF, 2 GHz di larghezza di banda di analisi e 800 MHz di larghezza di banda in tempo reale e un’alimentatone in continua programmabile E36313A utilizzato per la polarizzazione dei due stadi dell’amplificatore.

Per la prima fase di test è stata utilizzata una versione dell’opzione SMW-K144 per il generatore SMW200A che consente di creare forme d’onda 5G NR molto pulite conformi allo standard 3GPP indicato precedentemente. Ciò permette di ottenere una risposta in frequenza piatta e larghezze di banda fino a 2 GHz, insieme alla corrispondente opzione FSW-K144 per l’analizzatore FSW, che consente di analizzare in modo approfondito i segnali nella direzione downlink utilizzando i parametri conformi agli standard, che in questo caso ricadono entro i limiti delle misure effettuabili per via condotta tramite collegamento in cavo.

La seconda fase del test ha permesso di osservare la predistorsione digitale (DPD) dell’amplificatore per determinare le prestazioni del dispositivo quando viene stimolato con un segnale che tiene conto di qualsiasi tipo di distorsione fornita dal DUT. Queste misure sono state eseguite utilizzando forme d’onda conformi a 3GPP e il firmware per il test di amplificatori FSW-K18 disponibile per l'analizzatore di segnali FSW. Questo firmware consente la misura di caratteristiche del dispositivo diverse dal semplice EVM, tra cui AM/AM, AM/PM, compressione del guadagno, ACP sia con che senza DPD, per mostrare le prestazioni ottimali del dispositivo che potrebbero essere ottenute in un sistema di collaudo finale.

Descrizione del dispositivo

Dispositivo di test - PA a doppio canale 24-28 GHz

Le bande operative definitive per le 5G nello spettro delle onde millimetriche saranno stabilite in occasione della Conferenza mondiale delle radiocomunicazioni nel 2019 (WRC-19). In Europa, l’RSPG ha raccomandato l'utilizzo della banda a 26 GHz (24,25-27,5 GHz), già definita come banda pioniera per le reti 5G a onde millimetriche nella sua tabella di marcia 'Strategic Roadmap Towards Europe' pubblicata nel novembre 2016.

La figura 3 mostra un’immagine di un amplificatore di potenza MMIC da 24-28 GHz sviluppato da Plextek RFI che copre la banda pioniera con prestazioni eccellenti. Il dispositivo, che è stato progettato per avere un’uscita P1dB maggiore di 24,5 dBm con un guadagno intorno a 20 dB, raggiunge un’efficienza aggiunta di conversione (PAE) superiore al 22% su tutta la banda a 1 dB di compressione, oltre a una PAE superiore al 7% a 6 dB di backoff.

Una delle sfide più importanti nelle realizzazione delle future reti 5G sarà rappresentata dagli alti livelli di integrazione richiesti, ad esempio negli array sfasatori utilizzati per l’orientamento elettronico del fascio di irradiazione. In questo caso è probabile che ci sarà la necessità di inserire più circuiti integrati MMIC all’interno di uno stesso contenitore.

Come esempio di questa integrazione, Compound Semiconductor Applications Catapult ha commissionato un progetto di sviluppo collaborativo a Plextek RFI e Filtronic per progettare e produrre un modulo di valutazione con 2 degli amplificatori di potenza MMIC descritti precedentemente montati in un unico contenitore QFN in laminato a basso costo da 7 mm x 7 mm.

L’amplificatore a doppio canale realizzato è illustrato nella figura 4, le prestazioni del circuito integrato MMIC erano molto simili a quelle ricavate dalle misure RF sul wafer, con solo alcune piccole variazioni osservate sia nelle prestazioni per piccoli segnali, sia nelle prestazioni di potenza.

Risultati di misura

Guadagno e ACP - Misure di riferimento

Per rendere le misure quanto più impegnative possibili, esse sono state effettuate utilizzando una forma d’onda conforme allo standard 5G NR downlink centrata a 26 GHz con larghezza di banda di 400 MHz e modulazione 256 QAM.
Il guadagno RMS di ‘Riferimento’ del dispositivo è stato misurato a un punto sufficientemente lontano dalla compressione ottenendo un risultato di 19,6 dB. Le prestazioni risultanti in termini di guadagno sono riportate nella figura 5, mentre le misure di ACP sono riportate nella figura 6.

Misure in compressione

La potenza di ingresso nominale massima del dispositivo è di 10 dBm di picco. In base a questo dato, è stato deciso di pilotare il dispositivo il più duramente possibile per ottenere i risultati del caso peggiore, proprio appena sotto questo livello.

Fornendo segnali di ingresso a questo livello si ottiene una potenza di ingresso a -1,3 dBm, guadagno = 19,1 dB e compressione del fattore di cresta del segnale di 1,8 dB.

In queste condizioni, l’amplificatore raggiunge un EVM medio del 5,1% (Figura 7)

Misurando, ora, questo dispositivo in condizioni di elaborazione del segnale conformi a 3GPP, l’EVM ottenuto è un valore inferiore del 4,69%. (Figura 8). Il motivo di ciò è che, in condizioni di misura 3GPP, l’analizzatore di segnali tenterà di ricostruire il segnale di riferimento durante la demodulazione. Laddove il segnale di demodulazione è fortemente distorto, inclusi errori di bit, ciò produrrà un segnale di riferimento errato e, quindi, un valore di EVM anch'esso errato.

Per misurare un valore di EVM corretto in queste condizioni, il sistema deve conoscere perfettamente l'esatto segnale inviato, ossia deve utilizzare un approccio che preveda la piena conoscenza dei dati trasmessi.

Questo è un punto chiave di cui i produttori di dispositivi e i tecnici addetti alle misure devono essere consapevoli.

In termini di prestazioni sui canali adiacenti, le prestazioni grezze dell’amplificatore mostrano la presenza di componenti di segnali nel canale adiacente con potenza di 32 dBc a 400 MHz di offset sul canale inferiore e 33,5 dB sul canale superiore.

È stata, inoltre, condotta una misura di ACP a una potenza di backoff di 3 dB e 6 dB dalla misura di compressione, rispettivamente risultante in 38 dBc e 43 dBc.

Risultati di misura con DPD

È utile mostrare quanto “può essere” buono il dispositivo quando si compensano le sue non-linearità, poiché si tratta di uno scenario realistico dell'utilizzo del prodotto finale nella rete.

Per fare ciò, utilizziamo gli algoritmi DPD incorporati nell'analizzatore FSW per effettuare le misure di EVM e ACP prima e dopo l'applicazione della predistorsione digitale. L’algoritmo utilizzato per questo metodo DPD diretto è descritto nei riferimenti [2] e [3].

La frequenza centrale è di nuovo 26 GHz e si continua a utilizzare una portante con larghezza di banda di 400 MHz pienamente sfruttata da una modulazione 256 QAM. Di nuovo, l’amplificatore è pilotato alla sua potenza di misura, che lo porta in condizioni di forte compressione.

Le prestazioni risultanti prima della predistorsione digitale sono descritte nella Sezione 5.2 sopra citata, e dopo la predistorsione l’EVM migliora dal 5,1% all'1,7%

C’è anche un netto miglioramento dell'ACP da 32 dB a ~ 42 dB con DPD applicato.

Il netto miglioramento dell’AM-PM dell’amplificatore è chiaramente illustrato dalle figure 12 e 13, dove sono riportate le corrispondenti prestazioni AM-PM pre e post correzione; qui è possibile vedere che un AM-PM di circa 10 gradi in compressione è ridotto a un livello post correzione quasi trascurabile.

Conclusioni

Le normali condizioni di funzionamento degli amplificatori, per essere più efficienti, prevedono il loro pilotaggio in condizioni di compressione o vicini a essa. Per soddisfare l'obiettivo di un EVM massimo del 4,5% definito dallo standard 3GPP, questo amplificatore avrebbe chiaramente bisogno di lavorare con un certo livello di pre-distorsione del segnale.

Le misure sugli amplificatori, quando vengono usati in condizioni vicine ai loro limiti prestazionali, impongono di superare numerose sfide, dalla gamma dinamica alla capacità di valutare, in modo accurato e riproducibile, la qualità di modulazione. È fondamentale, per i progettisti e i tecnici che si occupano di radiofrequenza, conoscere i limiti dei propri dispositivi quando lavorano con segnali conformi agli standard 3GPP, ma anche in condizioni operative realistiche.

Questo documento fornisce un’importante punto di vista sulle sfide di progettazione e misure da affrontare nell'ambito delle reti 5G New Radio in collaborazione con numerosi partner del settore.

Riferimenti

[1] 3GPP TS 38.141-1 e 38.141-2 v1.1.0, 3rd Generation Partnership Project; test di conformità Stazione di base (BS).

[2] Amplifier Characterization Using Non-CW Stimulus http://ieeexplore.ieee.org/iel7/7990360/7999522/07999563.pdf

[3] Nota applicativa R&S 1EF99: Iterative Direct DPD https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/iterative-direct-dpd-white-paper_230854-478144.html