分布式VNA架构 有效解决毫米波OTA测试难题

对于无线数据带宽的快速成长需求，正加速扩大并推动行动数据的用户体验，这对于现有网络的可用频谱使用上也造成了一定的压力。为了克服通讯产业不断增加的需求，通讯产业正在研究可用于开发新的5G无线技术，以推动毫米波市场成长的其他频段。

5G NR发展现况
目前5G的应用偏重在FR1频段，FR2频段几乎还看不到，最主要的问题还是在于天线耗能，以及FR2的穿透力等问题。
目前5G NR的标准演进，正持续超越传统的增强型行动宽带（eMBB）通讯，以支持超可靠低延迟通讯（URLLC）的应用。URLLC 的目标锁定在1毫秒甚至更低延迟的应用上，以及超过 99.999％的可靠性，而且必须在行动终端跨基地台移动切换期间，持续保持这样的传输水平。根据预测，URLLC的应用在近年会有更高的年复合成长率。URLLC可以支持物联网端点密集传感器网络所需的基本功能，而对于能源传输、运输、制造和医疗保健领域的许多特殊应用，URLLC也非常适用。URLLC可以应用于需求安全性和稳定性的相关应用上，例如自动驾驶、工业自动化和机器人、无人机运输与远程医疗等。

以URLLC为核心的应用，需要毫米波技术才能达到一致性、安全性和低延迟的数据传输。URLLC 有助于实现工厂流程控制和电力系统自动化，而相关厂商也透过在工厂中开发5G网络来推动毫米波的市场成长，并进一步实现工业控制自动化的目标。这种由5G的发展所带动的智能工业流程和机器联网，被称为工业 4.0。这样的过程也意味着需要在机器之间进行实时通讯以产生大量可用数据进行分析，加速工业的自动化。5G的低延迟、超高可靠性、高带宽等特性，可以有效将工业4.0导入智能仓库和配送中心。而工业4.0的趋势，也将使工业制造的流程自动化和数据分析发展更为热络。

FR2频段挑战重重
台湾安立知业务暨技术支持部经理林光韦指出，在车用高频的部分，包括60GHz与77、79GHz等都是车用雷达所使用的频段。这部分由于是车用，牵涉到乘车人员的安全，需要更长周期才能取得车用认证。而厂商受到的要求与认证也会更久。除了订单问题，还必须通过车用认证这个关卡，这也成为77、79GHz波段发展速度较为迟缓的主因。

目前5G的应用偏重在FR1频段，真正FR2频段的采用几乎还看不到，这其中最主要的还是在于天线耗能的问题，采用FR2将会非常耗电，而耗能又与基地台数量问题息息相关，基地台越少，手机的能耗将会更多。再来就是FR2的高频穿透问题，FR2的讯号最适合使用的场景是在没有遮蔽物的开阔地点、大型会场等，而非常不适合在高楼林立的市区使用。然而高频的发展依然有其必要性，特别是对于整体通讯成本的节省，毫米波仍然有其一定的优势存在，因此前景仍然看好。而面对高频测试需求，特别是三倍频与五倍频这样的状况，测试仪器厂商仍然持续推出更为高频的解决方案，方能满足市场上频率越走越高的发展现况。

台湾安立知业务暨技术支持部副理林升鸿也表示，在毫米波频段中，从现在几乎必须放眼到160到300GHz，特别是面对B5G市场，然而如此高频，在设计开发层面会面临更大的挑战。B5G解决了一些问题，但也带来新的挑战。例如材料的耗损如果更多，代表基地台的发射功率也必须更大，因此如何更有效降低耗损将是急需面临的课题。从基板、天线到封装等部分都必须加以考虑。除了材料特性之外，PCB板上的天线设计，以及未来高速高频组件相关测试设备，都是目前已经看到的可能挑战。

以分布式架构解决测试难题
在过去，使用VNA进行OTA RF/μW屏蔽和传播，通常需要非常长的测试端口电缆，才能到达测试设备的周围。在这些测试所需的距离上，同轴电缆产生了非常关按的插入损耗和相位不稳定性，以至于必须使用不同的传输介质（例如光缆）来实现S参数测量。这些额外的硬件和设置的复杂性，大幅增加了进行传播和屏蔽测量所需的成本和时间。

 
图二 : 传统长缆线测试耗费巨额成本，分布式架构让测试架构更简洁。

目前安立知针对这样的测试需求，推出了ShockLine ME7868A这款无机箱的2埠VNA，特色是其分布式架构的便携式端口模块，频率范围可以从1MHz到高达8、20、43.5GHz等。ME7868A的分布式架构，可以通过间隔达100米的端口模块进行测试，如此一来，就可以将VNA装置放置在靠近大型DUT或广泛放置的测试天线上，而无需额外的复杂测试硬件设置。

林升鸿说，传统的OTA测试方式，必须衔接非常长的电缆线，这样长的缆线容易导致讯号递减，必须透过功率放大器来解决这样的问题，这使得整体架构就必须考虑多一个功率放大器的成本，以及其运作的效能。包括未来低轨卫星以及其他毫米波的应用，在测试上都会有需要更长缆线的需求，不同长度的缆线，都需要改变功率放大器的设计，对于整体架构十分不友善。而安立知这款ME7868A解决方案，透过分布式架构，可以因应测试过程中，缆线长度的变化，因此可以非常有效解决这些测试遇到的挑战。

ShockLine ME7868A的2端口VNA系统是特殊的分布式模块化系统，由两个MS46131A单埠VNA所组成。使用专利的PhaseLync同步技术，单一端口VNA在100米或更远的距离内可以进行相位同步，来实现完整的2埠向量S参数测量。这种架构透过将VNA端口连接到DUT前，减少了对于长电缆的需求。 如此可以达到设置简化，并有效改善无线OTA 和大型屏蔽与传播测试等应用中的S参数远距离测量。ShockLine ME7868A这套2端口USB VNA系统提供超过100米的相位同步测量，也同时提高了S参数测量的动态范围和测量稳定性。

 
图三 : 相控数组天线系统 OTA 性能测试示意图。

结语
就目前的观察，未来亚太地区的毫米波市场具有最高的年复合成长率，其主因是在于受到亚太地区技术进展的推动。预计中国将成为亚太地区毫米波市场成长速度最快的国家，其次是韩国。预测指出，到了2024 年，亚太地区将成为5G技术采用的领先地区，而由于政府的政策协助，亚太地区毫米波技术相关应用也正加速进行，这都将有助于毫米波频段的验证测试与未来发展规划。