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El desafío está en alcanzar una precisión similar a la de las mediciones por cable

OTA pasa a primer plano con 5G

Dr. Benoît Derat, Dr. Corbett Rowell, Dr. Adam Tankielun, Sebastian Schmitz. Rohde&Schwarz

06/09/2019

Con 5G las clásicas antenas sectoriales serán sustituidas por sistemas de antenas MIMO masivo altamente integrados con propiedades de orientación de haz. Estos deben caracterizarse necesariamente ‘over the air’ (OTA), lo que representa un desafío para los fabricantes de equipos de medición y desarrolladores de sistemas.

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En cámaras de este tamaño (tipo Albatross WPTC-XL) se pueden medir también antenas de mayores dimensiones que el modelo aquí mostrado (el objeto negro situado sobre el soporte cónico blanco). Para condiciones de campo lejano, sin embargo, esta cámara es demasiado pequeña, por lo que es necesario trabajar con transformación matemática de campo cercano a campo lejano.

Para alcanzar la alta capacidad de canales prevista en una red 5G se requiere tanto la incorporación de estaciones base MIMO masivo como la aplicación combinada de tecnologías de microondas y ondas milimétricas en el lado de la red y de los terminales. El rango de las microondas se denomina en 5G rango de frecuencias 1 (FR1, de 410 MHz a 7,125 GHz), y el rango de ondas milimétricas rango de frecuencias 2 (FR2, de 24,25 GHz a 52,6 GHz).

En el rango FR1, la innovación se concentra especialmente en la estación base (BS). En este contexto se emplea MIMO masivo (es decir, la aplicación de conjuntos de antenas activas o massive MIMO arrays, que pueden constar de varios cientos de elementos de antena) con dos finalidades: por un lado, se generan varios flujos de datos independientes que suministran la señal simultáneamente a diferentes terminales (MIMO multiusuario o MU-MIMO), y, por otra parte, dichos flujos se orientan mediante formación de haz selectivamente hacia las estaciones receptoras concentrando la energía para aumentar el alcance, reducir interferencias y elevar la velocidad de datos. Como efecto secundario positivo se reduce además el consumo energético y con ello los gastos de operación de la red.

En el rango FR2, los sistemas de transmisión utilizan grandes anchos de banda en frecuencias inicialmente alrededor de los 28 GHz y 39 GHz. Esta posición de frecuencia alta provoca sin embargo una fuerte atenuación del camino según F = (4πrf/c)2 y una elevada distorsión de campo cerca de objetos. Esta atenuación se contrarresta a través de los grupos de antenas y la ganancia de antena que aportan.

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Fig. 1: R&S ATS1000 como ejemplo de un sistema de medición esférico apto tanto para mediciones de campo lejano directas como para transformaciones de campo cercano a campo lejano basadas en software. El objeto se posiciona con exactitud con ayuda de un láser. El sistema se puede equipar con una cámara climática semiesférica que rodea por completo el objeto y permite realizar mediciones bajo estrés climático en un amplio rango de temperaturas.

Características de rendimiento over the air

La necesidad de reducir las pérdidas de camino y obtener dimensiones compactas conlleva en el rango FR2 la utilización de módulos altamente integrados con antenas, módems, amplificadores y desfasadores. Como consecuencia, ya no están disponibles contactos de RF para la conexión de instrumentos de medición por cable. Así pues, para caracterizar las antenas transmisoras y receptoras debe recurrirse a soluciones de medición over the air (OTA), que por otra parte también son necesarias para comprobar si el lóbulo de radiación está orientado en la dirección deseada.

Entre las métricas que deben comprobarse se incluyen parámetros de antena para la potencia radiada y recibida: EIRP (effective isotropic radiated power), TRP (total radiated power), EIS (effective isotropic sensitivity) y TIS (total isotropic sensitivity), así como métricas específicas del receptor: EVM (error vector magnitude), ACLR (adjacent channel leakage ratio) y SEM (spectrum emission mask).

La característica de la antena se mide básicamente en el campo lejano (CL) homogéneo. Las condiciones de campo lejano, sin embargo, se dan en las frecuencias FR2 y con tamaños de antenas de estación base solamente a muchos metros de distancia de la antena. De este modo, un objeto MIMO masivo con un tamaño de 75 cm y una frecuencia de transmisión de 2,4 GHz con muestreo de CL directo según la distancia Fraunhofer, en la que comienza el campo lejano (r = 2D²/λ, D: apertura de la antena), debería medirse en una cámara de ensayos que brinde una distancia de como mínimo 9 m. Incluso un teléfono inteligente de 15 cm con una frecuencia de transmisión de 43,5 GHz requeriría una distancia de medición de 6,5 m. Solo así, la denominada quiet zone (QZ) en la que se colocan los objetos examinados presentaría la constancia de fase necesaria. Se tolera una desviación de como máximo 22,5 ° sobre el plano de medición.

Sin embargo, consideraciones teóricas indican que las características de campo lejano en la zona del lóbulo de radiación principal se pueden manifestar en realidad ya a una distancia mucho más corta. Estudios empíricos han demostrado que, por ejemplo, la EIRP de campo lejano o la EIS de un objeto examinado de 15 cm con una frecuencia de transmisión de 24 GHz se pueden determinar con suficiente precisión ya a una distancia de 1,14 m. La reducción de la distancia en alrededor del 70 % implica no obstante un mayor Longitudinal Taper Error. Además, con distancias más cortas no se pueden determinar con tanta precisión los niveles de los lóbulos laterales.

Este tipo de mediciones de CL directas con distancias más cortas tampoco son viables para todas las aplicaciones, pero sí son útiles si se cumplen las condiciones necesarias. Las cámaras anecoicas de gran tamaño acarrean unos gastos de operación elevados y limitan el rango dinámico debido a las pérdidas de camino. El escenario más sencillo es el denominado white box, en el que la posición de la antena dentro del dispositivo y su apertura son conocidas, y dicha apertura puede desplegarse por completo en la QZ. Si no es este el caso, o si el objeto tiene varias antenas en cantos opuestos de la carcasa, hablamos de un escenario black box, en el que los flujos que provocan la radiación pueden fluir por todo el objeto. Debido a su apertura potencialmente mayor, en este caso debe preverse una QZ considerablemente mayor, lo que dificulta las mediciones de CL directas. Por este motivo, se recurre al procedimiento de transformación de campo cercano a campo lejano (CC-CL).

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Fig. 2: La forma y la precisión de fabricación del espejo son parámetros decisivos para la calidad de un sistema CATR. El sistema de sobremesa R&S ATS800B CATR es una solución económica para laboratorios de desarrollo e investigación que permite obtener resultados de alta calidad.

Transformaciones CC-CL basadas en software

Un primer método efectivo para reducir la distancia de campo lejano y con ello el tamaño necesario de la cámara anecoica consiste en aplicar procedimientos de transformación basados en software. Para ello son posibles diferentes implementaciones matemáticas, si bien el principio fundamental es siempre el mismo: como mínimo dos componentes de polarización del campo electromagnético (E, H o una combinación de ambos) se miden a través de una superficie esférica que rodea el objeto para determinar la magnitud y la fase.

En el procesamiento sucesivo de los datos medidos, los campos se proyectan con ayuda de funciones matemáticas a distancias mayores y se extraen los componentes de radiación de campo lejano. Solamente es necesario conocer dos fasores (amplitudes complejas) para reconstruir con exactitud los seis componentes de campo fuera de la superficie medida utilizando el principio de Huygens. Los métodos de transformación alternativos se basan en la propagación de las ondas esféricas (SWE, spherical wave expansion), la expansión de ondas planas (PWE, plane wave expansion) o la solución de ecuaciones integrales, combinadas en cada caso con procedimientos para incrementar la velocidad de cálculo o la exactitud tomando en cuenta parámetros como la velocidad de muestreo espacial, la superficie de muestreo o truncación.

La figura 1 muestra un sistema que permite realizar mediciones con muestreo esférico del objeto. Este se monta en una mesa giratoria de azimut. Una antena Vivaldi con doble polarización en el extremo del brazo oscilante facilita el ajuste de la elevación. El objeto se conecta a una toma de un analizador vectorial de redes, mientras que los puertos de antena para los dos planos de polarización ocupan otras dos conexiones del analizador, haciendo posible la medición de parámetros S complejos como el coeficiente de transmisión y de reflexión.

Los métodos de medición de campo cercano parten a menudo de supuestos aplicables al caso antes descrito de antenas pasivas o alimentadas por RF:

  • en la conexión de antena se puede alimentar una señal que se utiliza como referencia de fase.
  • La señal de RF es una señal de onda continua (señal CW).
  • Aquí rige la reciprocidad, de modo que los diagramas de radiación para el caso de transmisión (TX) y de recepción (RX) son idénticos con una misma frecuencia.

Para casos de transmisión en los que no se aplican estos supuestos están disponibles soluciones alternativas. Para determinar la fase en función de la distancia se pueden utilizar diferentes componentes de hardware y sistemas de procesamiento, como p. ej. métodos interferométricos o receptores de varios puertos sincronizados en fase, ambos en combinación con una antena adicional de referencia de fase, que debe instalarse cerca del objeto que emite la radiación. Como alternativa existen métodos sin fase en los que la información de fase se obtiene exclusivamente a partir de la medición de la magnitud.

El caso de la recepción resulta más complejo, ya que por regla general se mide la cadena de recepción completa, puesto que la sensibilidad se verifica cuando se alcanza un flujo de datos mínimo necesario. En este caso no se puede dar por supuesto la reciprocidad, ya que los componentes en el camino de recepción de RF en general no suelen coincidir con los componentes en el camino de transmisión de RF. Además, en un objeto receptor medido sin acceso a la antena no puede deducirse directamente la potencia en la entrada del frontend de RF. En este caso tampoco se dispone de una referencia de fase, lo que hace inviable la transformación CC-CL basada en software. Por lo tanto, en el campo cercano es posible determinar con precisión la potencia radiada EIRP mediante la transformación CC-CL basada en software, pero no la magnitud de recepción EIS.

Los métodos de transformación CC-CL basados en software se topan con sus límites cuando se trata de determinar características de la potencia de transceptores como EVM, ACLR y SEM. Esta información debe extraerse directamente de la señal modulada. Las soluciones de transformación CC-CL basadas en software procesan solamente los valores complejos de amplitud, a partir de los cuales se puede obtener una representación tridimensional del diagrama de radiación. Actualmente esto no supone una gran limitación, ya que los sistemas de medición compactos son capaces de generar un "campo lejano indirecto" en el que pueden llevarse a cabo las mediciones como en un campo lejano real.

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Fig. 3: La cámara R&S ATS1800C es apropiada para ensayos de (pre)conformidad en diseños de referencia y terminales. El posicionador admite objetos con un tamaño de hasta aprox. DIN A4 y de varios kilos de peso.

La transformación de campo cercano a campo lejano basada en hardware aporta claridad

Diferentes métodos de medición permiten una evaluación OTA directa cerca de la antena, es decir, sin transformación de software. Estos métodos basados en hardware tienen como objetivo crear físicamente condiciones de campo lejano en una zona limitada, la quiet zone. Este campo lejano indirecto se puede generar tanto en un compact antenna test range (CATR) como mediante síntesis de ondas planas.

Compact Antenna Test Range

En un CATR, un espejo parabólico convierte la onda esférica emitida por el objeto medido en una onda plana (figs. 2 y 4). La calidad de los resultados obtenidos con un CATR depende en gran medida de la calidad del reflector. La forma de los cantos y la rugosidad de la superficie influyen en el rango de frecuencias en el que se puede alcanzar una quiet zone de calidad aceptable: la geometría de los cantos limita la frecuencia útil inferior, la rugosidad de la superficie, la superior. El escalonado o redondeado de los cantos previene efectos de difracción que de lo contrario propagarían energía en la QZ. Un reflector con cantos escalonados o redondeados suele ser como mínimo el doble de grande que el objeto examinado o la QZ, mientras que un reflector con cantos afilados debe ser hasta 3 o 4 veces mayor que la QZ.

El diagrama de radiación de la antena que suministra la señal repercute directamente en el tamaño de la quiet zone, ya que el espejo lo proyecta en cierto modo en el área de la QZ. Puesto que el tamaño de la QZ depende también en mayor medida de las propiedades del reflector que de la distancia del objeto con respecto al espejo, se puede generar una QZ grande también en carcasas pequeñas, lo que facilita considerablemente la medición. La configuración de CATR mostrada en las figuras 2 y 4 se puede instalar en una cámara anecoica de solo 2,1 m × 0,8 m × 1 m (R&S ATS800R). Un sistema de medición de CL directo requeriría una distancia de medición de hasta 14,5 m.

Los CATR resultan imprescindibles para probar terminales o estaciones base en el rango 5G NR-FR2, ya que reducen considerablemente el tamaño necesario del entorno de prueba y pueden determinar resultados directamente, es decir, sin necesidad de cálculos de CC-CL adicionales. Además, ofrecen las mismas posibilidades que un sistema de CL en lo referente a la capacidad de medición directa de las características de transceptores de RF, tanto en el modo de transmisión como de recepción. Puesto que las pérdidas de camino solo se presentan en la zona entre la antena que suministra y el reflector, los sistemas CATR brindan también una mejor gama dinámica que un sistema de CL completo.

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Fig. 4: Configuración de un sistema CATR (compact antenna test range) con un reflector de cantos redondeados que colima un frente de ondas esféricas en un frente de ondas planas (cálculo de los campos con un modelo de la configuración real con el software de simulación CST MWS a 28 GHz).

Síntesis de ondas planas a través de un conjunto de antenas con control de fase

Mientras que las configuraciones CATR para dispositivos de 5G de ondas milimétricas usan reflectores relativamente pequeños y ligeros (de 20 kg hasta 40 kg), en el rango FR1 el peso del reflector aumenta sensiblemente, con hasta cientos de kilos para objetos con el tamaño de una estación base. Los costos, el tiempo de fabricación y el manejo de este tipo de espejos los hacen impracticables. La alternativa son los formadores de ondas electrónicos. Estos constan de un conjunto de antenas en el que muchas antenas individuales se controlan por separado en amplitud y fase de tal modo que se consigue un frente de ondas planas ya a una distancia relativamente corta.

Rohde & Schwarz ha desarrollado un planar wave converter (PWC) de este tipo, compuesto por 156 antenas Vivaldi de banda ancha y una red de desfasadores y atenuadores. Este PWC tiene un diámetro de 1,7 m y genera una quiet zone esférica de 1 m de diámetro a una distancia de solo 1,5 m en el rango de frecuencias de 2,3 GHz hasta 3,8 GHz (fig. 5). Un posicionador de dos ejes emplaza el objeto medido, por ejemplo, una antena de estación base, en la QZ. En la figura se muestra una antena de calibración. Esta sirve para regular el nivel de los diferentes canales de RF, así como para determinar la atenuación de camino de todo el sistema. El PWC es recíproco y dispone de una entrada/salida de RF única para conectar un generador de señales, un analizador de espectro o un analizador de redes vectorial.

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Fig. 5: La pieza clave del sistema de medición plane wave converter de Rohde & Schwarz es el conjunto de antenas con control de fase R&S PWC200 (izda.). Aquí se mide un conjunto de antenas de calibración sobre un soporte giratorio de círculo amplio (great circle cut positioner).

Resumen: mediciones OTA más sencillas que nunca

De la necesidad de medir componentes 5G over the air surge una demanda de equipos de medición nuevos y más complejos que para las tecnologías celulares anteriores. El desafío al que se enfrentan los fabricantes consiste en producir estos instrumentos a precios asequibles y hacer que su funcionamiento sea lo más sencillo posible. La solución son sistemas de medición que permiten extraer conclusiones certeras sobre el comportamiento de un objeto en el campo lejano sin necesidad de instalar grandes cámaras anecoicas que funcionen según la fórmula de campo lejano según Fraunhofer. Los métodos de campo cercano que emplean transformaciones basadas en software son apropiados para mediciones de EIRP y TRP. Si por el contrario debe tenerse en cuenta también la recepción o la demodulación en un objeto con varios transceptores de RF no idénticos, es posible superar las limitaciones de la transformación CC-CL por software con sistemas CATR y PWC que utilizan transformaciones de campo basadas en hardware. Estos sistemas brindan además alternativas compactas y eficientes a las mediciones directas de campo lejano, lo que los predestina para futuros ensayos de conformidad de RF para 3GPP en terminales y estaciones base.

La necesidad de reducir las pérdidas de camino y obtener dimensiones compactas conlleva en el rango FR2 la utilización de módulos altamente integrados con antenas, módems, amplificadores y desfasadores. Como consecuencia, ya no están disponibles contactos de RF para la conexión de instrumentos de medición por cable

De la necesidad de medir componentes 5G over the air surge una demanda de equipos de medición nuevos y más complejos que para las tecnologías celulares anteriores. El desafío al que se enfrentan los fabricantes consiste en producir estos instrumentos a precios asequibles y hacer que su funcionamiento sea lo más sencillo posible

¿Qué es MIMO masivo?
La tecnología MIMO (multiple input multiple output) emplea varias antenas en el transceptor para mejorar la eficiencia de la transferencia. Varios transceptores transmiten por antenas separadas y canales de propagación no correlacionados para obtener un mayor rendimiento que beneficia a un único o a varios usuarios (multiplexación espacial), o bien la misma señal de salida se envía a través de varias antenas que se suman en el receptor para mejorar la calidad de la señal (diversidad RX).
El elevado número de elementos de antena en los sistemas de MIMO masivo permite combinar ambos objetivos.
Cuando un sistema de antenas ofrece tanto formación de haz como multiplexación espacial, se denomina sistema de MIMO masivo. MIMO masivo se emplea exclusivamente en estaciones base, pero también los equipos de usuario presentan cada vez más  ntenas para poner en práctica técnicas MIMO.

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