Measurements for calibrating phased array transceivers

Abstract

In future wireless communication standards, millimeter-wave frequencies will be used in order to provide enough bandwidth for the communication channels. In order to mitigate high path loss at very high frequencies, highly directive antenna arrays must be utilized. It is crucial to calibrate the phase and amplitude excitation non-idealities in antenna branches in order to achieve satisfactory performance. The objective of this thesis is to study how nonidealities in array excitation can be measured. Firstly, the effect of errors in excitation phases and amplitudes are studied by performing Monte Carlo simulations. For these simulations, a mathematical model of a uniform linear phased array is developed. The antenna elements in the model are given random, normally distributed phase and amplitude errors and the calculated distributions of defined performance parameters are obtained as an output. These simulation give insight into how accurate measurements must be performed so that the calibration of the array can be done accurately enough. In addition, a measurement system for measuring the phase and amplitude nonidealities of a 5G transceiver prototype is designed. Also a procedure for calibrating the measurement system itself is developed. Finally, Matlab software for controlling the measurement instruments is also developed. The developed measurement system can be used to determine phase and amplitude correction words that will be needed for calibrating the array.

Tulevaisuuden langattomissa tietoliikennestandardeissa tullaan käyttämään taajuuksia millimetriaaltoalueelta, jossa on riittävästi kaistanleveyttä saatavilla. Suurilla taajuksilla ilmakehä vaimentaa sähkömagneettisen säteilyn kulkua huomattavasti. Tämän vaimennuksen kompensoimiseksi on käytettävä erittäin suuntaavia antenniryhmiä. Antennien väliset vaihe- ja amplitudiepäideaalisuudet on kalibroitava mahdollisimman tehokkaasti, jotta saavutetaan tyydyttävä suorituskyky. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia, miten näitä epäideaalisuuksia voidaan mitata. Vaihe- ja amplitudiepäideaalisuuksien vaikutusta antenniryhmän suorituskykyyn tutkitaan suorittamalla Monte Carlo -simulointeja. Tätä varten luodaan Matlab-malli lineaariselle antenniryhmälle. Antenniryhmälle asetetaan satunnaisia, normaalijakautuneita vaihe- ja amplitudivirheitä, ja malli tuottaa määriteltyjen suorituskykyparametrien jakaumat. Tulosten perusteella voidaan päätellä, kuinka tarkasti epäideaalisuudet täytyy mitata, jotta antenniryhmä voidaan kalibroida tarpeeksi tehokkaasti. Lisäksi työssä suunnitellaan mittausjärjestelmä 5G-lähetin-vastaanotinprototyypin vaihe- ja amplitudimittauksia varten. Mittalaitteiden automaattista ohjausta varten luodaan Matlab-ohjausohjelmisto.