Messtechnik und der Fertigungstest für 5G-Komponenten

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Mehr Frequenzbänder, breitere Kanäle und die Konfiguration mehrerer Antennen erschweren den Test von Hardware für 5G-Anwendungen. Helfen sollen leistungsstarke Messgeräte und längere Testzeiten.

Mit dem Mobilfunkstandard 5G muss auch die Fertigung umdenken: Entwickler müssen mehr Frequenzbänder berücksichtigen, die Kanalbandbreiten sind breiter und die Mehrantennenkonfigurationen werden komplexer. Damit einher gehen erhebliche Kosten und schließlich sind für Test und Verifikation leistungsstärkere Messgeräte und längere Testzeiten notwendig. Viel Zeit bleibt dem Entwickler nicht, denn 5G entwickelt sich schnell. 2018 kamen die ersten Chipsätze auf den Markt, im folgenden Jahr gab es bereits die ersten kommerziellen Implementierungen von 5G-Basisstationen (gNBs) und -Geräten.

Die Technik um 5G schreitet im gesamten mobilen Ökosystem voran, von Chipsatz- und Geräteherstellern bis hin zu Netzwerkausrüstern (Network Equipment Manufacturers, kurz NEMs) und Service-Providern. Bevor die Betreiber beginnen, 5G als neue Einnahmequelle zu nutzen, muss die Elektronik-Branche den Fertigungstest meistern. Das Thema 5G wird das gesamte drahtlose Ökosystem verändern: Von der Forschung und Entwicklung (F&E) bis zum Feldeinsatz mit einer exponentiellen Zunahme der Komplexität, insbesondere durch den Einsatz von Massive MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output), die Erweiterung auf Millimeterwellen und das Beamforming.

Die Fertigung ist jedoch die entscheidende Phase des gesamten Produktlebenszyklus. 5G wird nur dann erfolgreich werden, wenn die Netzwerkausrüster ihre Infrastruktur-Ausrüstung kosteneffizient testen und eine hohe Qualität bei gleichzeitig beschleunigten Zeitabläufen bieten. Außerdem müssen sie flexibel bleiben, um Spitzen in der Auslastung, Kanalanforderungen und mehr Frequenzbänder zu bewältigen.

Die drei Faktoren, erhöhte Gerätekomplexität, sinkende Testkosten und dabei schnell den Markt bedienen stehen allerdings im Widerspruch zueinander. Dieses Dilemma ist für Netzwerkausrüster schon während der Fertigung ein Problem. Und sie müssen es lösen, um das Wettrennen mit 5G zu gewinnen.

Viele Kanäle und die Testgeschwindigkeit

Mit Massive MIMO erhöht sich die Anzahl der Kanäle auf 16, 32, 64 und sogar 128, was sich erheblich auf die Testzeiten auswirkt und somit die Kosten für die Tests entsprechend erhöht. Die Netzwerkausrüster kommen allerdings nicht herum, ihre Testgeschwindigkeit erheblich zu steigern und gleichzeitig die Stellfläche der Testgeräte in ihrer Fertigungshalle in geeigneten Dimensionen zu halten sowie die Skalierbarkeit ihrer Fertigungstests sicherzustellen.

Das Frequenzband der Millimeterwellen ist störanfällig und es tritt ein höherer Leistungsverlust auf. Außerdem sind sogenannte Over-the-Air- (OTA-)Tests erforderlich, da die Antennen direkt auf den Funkchip geklebt sind und kein Kabel zugänglich ist. Der Dynamikbereich sinkt und genaue Messungen werden für den Entwickler noch schwieriger. Mit Blick auf die Produktion von Basisstationen müssen die Kosten gesenkt werden, was gleichzeitig den materiellen Aufwand wie OTA-Kammern und leistungsstarke Messgeräte erhöht. 5G und die höheren Bandbreiten wirken sich zudem auf das Frequenzband unterhalb von 6 GHz aus: Da dieses bereits stark überfüllt ist, kommen die Netzwerkausrüster nicht herum, es zu verlassen.

Das Problem mit den Millimeterwellen

Die Frequenzen unterhalb von 6 GHz – in der Standardspezifikation 5G New Radio (5G NR) als Frequenzbereich 1 (FR1) bezeichnet – unterscheiden sich grundlegend von den Millimeterwellen des Frequenzbereichs 2 (FR2), die von 24,25 GHz bis 52,6 GHz reichen. Das im Vergleich zu den Frequenzen unterhalb von 6 GHz weniger genutzte Millimeterwellen-Spektrum bietet den Nutzern die gewünschten Datenraten, indem es größere Bandbreiten ermöglicht, da viele andere Anwendungen diesen Bereich nicht nutzen.

Dieser Aspekt ist zwar verlockend, die Ausbreitungseigenschaften von Millimeterwellen sind es jedoch nicht. Aufgrund der höheren Beugung, Eindringtiefe und der Verluste in der Atmosphäre gibt es bei den Frequenzen im Millimeterband hohe Pfadverluste, was wiederum die Reichweite der Funksignale einschränkt. Deshalb griff man auf Phased Arrays zurück. Die ehemals von Tastköpfen verwendeten Frequenzen sind nicht mehr nutzbar. Darum führt 5G und der notwendige Testbetrieb zur ungünstigen Verschiebung vom leitungsgebundenen zum drahtlosen OTA-Test.

In einem OTA-Messaufbau reduziert ein übermäßiger Pfadverlust zwischen den Messgeräten und dem Prüfling (DUT) das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), was zu einer schlechten Fehlervektorgröße (Error Vector Magnitude, EVM) und einer schlechten Nachbarkanalleistung (Adjacent Channel Power Ratio, ACPR) führt. Hier muss das Messgerät mit einem erstklassigen ACPR-Verhalten punkten, um Störungen zu minimieren. Nur dann ist gewährleistet, dass das Gerät innerhalb des ihm zugewiesenen Kanals sendet.

Skalierbare Messgeräte für mehr Frequenzbänder

Ingenieure können hier auf leistungsstarke Mikrowellen-Messgeräte zurückgreifen, um den Pfadverlust bei Millimeterwellen zu umgehen. Der Einsatz solcher Messgeräte in der Fertigung würde die Testkosten unverhältnismäßig erhöhen. Stattdessen sollte man Messgeräte für den niedrigen Frequenzbereich mit einem externen Millimeterwellen-Transceiver kombinieren, um ein ausgewogenes Preis-Leistungs-Verhältnis zu erzielen. Bei einem niedrigen Frequenzbereich erfolgt die Auf- und Abwärtswandlung am Ort der Messung, wodurch die Einfügedämpfung reduziert und die erforderliche Leistungsfähigkeit in einem viel größeren Leistungsbereich erreicht wird. Dieser Ansatz ist für 5G Tests bei hohen Frequenzen bedeutend flexibler.

Die Frequenzbereiche von 5G NR arbeiten über mehrere Bänder, die von 1 bis 255 für FR1 und von 257 bis 511 für FR2 nummeriert sind. Die maximale Kanalbandbreite steigt auf 100 MHz für Frequenzen unter 6 GHz und 400 MHz für Millimeterwellen. Diese Kanalbandbreite ist 5- bis 20-mal so groß wie die der LTE-Standards, da LTE, LTE-A und LTE-A Pro alle eine maximale Kanalbandbreite von 20 MHz haben.

Die maximale aggregierte Kanalbandbreite ist bei 5G NR ebenfalls viel höher (fast doppelt so hoch wie bei den LTE-Varianten) und beträgt 400 MHz für FR1 und bis zu 1,6 GHz für FR2 im Vergleich zu 100 MHz bei LTE-A und 640 MHz bei LTE-A Pro. Ein Testlabor sollte mit Messgeräten ausgestattet sein, welche die größere Anzahl von Frequenzen (einschließlich Millimeterwellen) und die größeren Kanalbandbreiten von 5G NR flexibel handhaben können. Dank der skalierbaren Messgeräte sind die Arbeitsplätze nicht zugestellt.

Eine größere Kanalbandbreite führt auch dazu, dass die Leistungsanforderungen für Fehlervektorgröße (EVM), Flatness und Dynamikbereich schwieriger zu erreichen sind. Die eingesetzten Messgeräte müssen daher eine entsprechende Hochfrequenz-(HF-) Leistung mit einem niedrigen Frequenzgang für Amplitude und Phase bieten. So lässt sich vermeiden, dass das Signal-Rausch-Verhältnis durch Korrekturen gesenkt wird. Darüber hinaus sind weitere Faktoren zu beachten, die zu einer geringeren Messgenauigkeit führen können: Komponenten, Schalter und Kabel im Messsystem sowie die Messung des Frequenzgangs an Messvorrichtungen, Kabeln, Steckern und Mischern. Ein externer Extenderkopf schafft hier Abhilfe.

Schnelle Tests eines Mehrantennen-Systemen

Zur Verbesserung der spektralen Effizienz und Abdeckung verwendet 5G MIMO und Beamforming-Konzepte. Bei der Designverifikation erhöhen Mehrantennen-HF-Systeme die Komplexität des Testaufbaus und machen die korrekte Synchronisierung zeitaufwendig. In der Produktionsphase liegt der Schwerpunkt darauf, sicherzustellen, dass jeder Kanal ordnungsgemäß funktioniert. Daher werden alle Kanäle einzeln getestet.

Netzwerkausrüster benötigen Testequipment, mit dem sich DUTs schnell testen lassen und die beim Übergang von 4 bis 8-Port-4G-Geräten auf 5G mit 16, 32, 64 oder 128 Kanäle skalierbar sind. Außerdem sind Mehrkanal- und Multi-Site-Tests notwendig, die ebenfalls vom Messgerät unterstützt werden sollten. Der Messtechnik-Anbieter Keysight hat in seinem Vektor-Transceiver (VXT) beispielsweise den Vektorsignalgenerator (VSG) und den Vektorsignalanalysator (VSA) zusammen in einem PXIe-Modul mit zwei Steckplätzen integriert. Ein PXI-Chassis mit 18 Steckplätzen unterstützt bis zu acht VXT-Module in einer Größe von 4U. Software- und hardwarebeschleunigte Messungen erhöhen die Testgeschwindigkeit über Leistungs- und Frequenzbereiche für mehrere Kanäle und Funkformate.

Messalgorithmen und Messhardware

Bei der Auswahl von Testlösungen für 5G-Fertigungstests muss deren Effektivität für diese Umgebung sorgfältig geprüft werden, indem die Signalerzeugungs- und Analyse-Bandbreitenkapazität, die Ausgangsleistung, das Phasenrauschen, die Amplitudengenauigkeit, das EVM- und ACLR-Verhalten, die Automatisierungsfunktionen, die Kalibrieraspekte und der Platzbedarf der fertigen Anwendung bewertet werden.

Die Lücke zwischen Integration und Verifikation beim Testen lässt sich mit einer übergreifenden Strategie schließen. Eine gemeinsame API erleichtert die Integration in Fertigungssysteme und eine gemeinsame Software reduziert den Entwicklungsaufwand. Messalgorithmen sowie eine gemeinsame Hardware ermöglichen es, dass die Messdaten über den gesamten Produktlebenszyklus korrelieren.

Fit beim Thema 5G

Zusammen mit Atlantik Elektronik veranstaltet die ELEKTRONIKPRAXIS am 24. Juni in München eine eintägige Konferenz rund um das Thema 5G. Bestandteil wird auch das Thema Messtechnik sein. Über den Link können Sie sich bereits auf der Kongresswebseite über weitere Details informieren.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 6/2020 (Download PDF)

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Für die Praxis: Kompletter Service rund um die Welt von 5G

* Jessy Cavazos arbeitet bei Keysight Technologies im Marketing für 5G Industry Solutions.

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