Maßgeschneidertes Messsystem für 5G-MIMO

29.05.2020

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Multiple-Input-Multiple-Output- (MIMO-)Hardware lässt sich mit dem neuartigen Messsystem am Ferdinand-Braun-Institut charakterisieren. Die Anforderungen an die Hardware sind hoch.

Mit den speziell angepassten vektoriellen Netzwerkanalysatoren von Keysight ist ein maßgeschneidertes Messsystem für 5G-MIMO entstanden. Keysight-Vertreter besuchten Anfang März das FBH und nahmen das Messsystem in Betrieb.
(Bild: FBH/P. Immerz)

Ein spezielles 5G-MIMO-Messsystem mit maßgeschneiderten Breitband-Mikrowellen-Downconvertern von Keysight Technologies ist am Berliner Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Betrieb gegangen. Mit dem Messsystem lässt sich MIMO-Hardware für 5G-Telekommunikations- und Raumfahrtanwendungen charakterisieren. Das System ist auf eine kohärente Charakterisierung an 16 Ports im Frequenzbereich bis 67 GHz ausgelegt; dabei können Signale mit einer Modulationsbandbreite von mehr als 2 GHz verarbeitet werden.

Zum System gehört ebenfalls die Vektorkalibrierung der Schnittstelle zum Testobjekt (DUT) – beispielsweise ein integrierter Mikrowellenverstärker auf dem Halbleiter-Wafer oder ein ganzes Verstärkermodul. Dank der herausragenden Eigenschaften ist das Messsystem ideal geeignet, um Komponenten mit mehreren integrierten Verstärkern zu charakterisieren. Auch komplexe Kreuzmodulationen, wie sie bei Komponenten von modernen Strahlformungsanwendungen in der Telekommunikation und im Weltraum auftreten, können so vermessen werden.

Vektorielle Netzwerkanalysatoren

Als im Jahr 2017 mit der Konzeption des Messsystems begonnen wurde, gab es keine Hardware auf dem Markt, welche die Anforderungen des Mikrowellen-Messtechnik-Teams am FBH erfüllte. Daher wurde ein Gesamtsystem entworfen, das auf den damals modernsten Teilkomponenten verschiedener Anbieter basierte. Im Verlauf der Planungen wurden mehrere alternative Methoden für die Abwärtsmischung von Breitbandsignalen evaluiert, da besonders die geforderte Bandbreite und Dynamik des Systems schwer zu erreichen sind.

In enger Abstimmung mit Keysight Technologies fiel die Wahl schließlich auf speziell angepasste, vektorielle Netzwerkanalysatoren, die auf der hochentwickelten, gut etablierten PNA-X-Plattform des Unternehmens basieren. Die PNA-X-Einheiten sind mit modifizierten Breitbandmischern und besonders breitbandigen Ausgängen für die Zwischenfrequenz ausgestattet. Auch der gemeinsame Betrieb von mehreren Lokaloszillatoren ist möglich. „Die umfangreichen Modifikationen wurden exakt auf unsere speziellen Anforderungen zugeschnitten“, erklärt Dr. Olof Bengtsson, Leiter des RF Power Labs am FBH. „All dies wäre ohne das Know-how und das Engagement des Keysight-Teams nicht möglich gewesen.“

Kombiniert mit externen Digitalisierern weiterer Anbieter, ermöglichen es die PNA-X-Empfänger des Systems, mehrere Ports mit Zwischenfrequenz-Bandbreiten mit 5 GHz kohärent zu analysieren.

Forschung an Breitband-Messtechniken

Das Messsystem wird für die kommenden Jahre Eckpfeiler und ein zentrales Arbeitspferd am FBH sein, mit dem MMIC-Verstärker charakterisiert und MIMO-Evaluierungen durchgeführt werden. Zudem ermöglicht es weitere Forschungen von Breitband-Messtechniken. Nicht nur dem FBH und seinen Kunden bietet das 5G-MIMO-Messsystem einzigartige Messmöglichkeiten, sondern auch den Partnerinstituten, die sich in der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) zusammengeschlossen haben.

„Dieses System repräsentiert genau das, worum es in der FMD geht, und es sorgt dafür, dass die mikroelektronische Forschung in Deutschland Zugang zu modernster Ausrüstung hat“, erklärt Dr. Andreas Grimm, Technologiepark-Manager der FMD. „Ausstattungen wie diese sind entscheidend, um bei der Entwicklung künftiger anspruchsvoller Anwendungen international eine Rolle spielen zu können und so die deutsche und europäische Mikroelektronikindustrie dabei zu unterstützen, wettbewerbsfähig zu bleiben.“