5G毫米波OTA测试的关键概念和定义

时间:2019-09-10
  在5G之前,大多数无线设备测试都是使用导线方法进行的。这包括测试调制解调器芯片组,射频(RF)参数测试以及完整的设备功能和性能验证。无线(OTA)测试方法主要用于天线性能测试和设备多输入多输出(MIMO)性能测量。5G毫米波(mmWave)设备代表了无线行业的颠覆性转变,因为OTA是所有无线电测试案例测试方法中唯一可行的。
  在mmWave频率下,较高的路径损耗和较短的波长需要可控的定向天线(增益) - 通常是相控阵天线。除了传统的LTE和Frequency range1(FR1)单极天线之外,许多5G设备还需要多组mmWave天线。由于mmWave天线必须直接连接到RF前端(RFFE)放大器,因此无法以较低频率的方式访问和测试设备,需要采用辐射测试方法。
  传统的传导RF测试方法在测量解决方案和被测设备(DUT)之间使用高性能同轴电缆。 OTA用空中链路取代该电缆,DUT通过该链路直接与作为测试解决方案一部分的天线进行通信。为了确保良好的RF环境(即可测试的传输线以及消除外部干扰),OTA连接最好在暗室内部进行管理。
  因此,典型的OTA测量解决方案包括RF测量设备和暗室。暗室有几个基本组件:
  外壳本身具有适当的RF隔离和内部屏蔽,可将信号的内部反射降至最低
  测量天线或“探头”天线,为DUT提供主要RF测量链路
  定位器可以改变DUT的方向或位置
  用于控制定位器和测量设备的软件。
  在为所需测量选择正确的设置时,工程师需要考虑几个因素。但首先,快速回顾一下电磁场的相关经验法则。
  从波传输说开
 

  图一,无功近场(无功NF),辐射近场(辐射NF)和辐射远场(辐射FF)区别
  随着天线的距离增加,电磁场的行为和特性会发生变化。上面的简化模型显示了三个受关注的区域:无功近场(无功NF),辐射近场(辐射NF)和辐射远场(辐射FF)。在进行OTA测量时,必须考虑每个区域的特性,考虑DUT和探头天线之间的距离。例如,在NF中进行测量需要近场到远场转换(NF-FF)的软件,这需要相位恢复或控制到DUT的输入相位。在该图中,R是距天线的径向距离,D是可以围绕辐射天线孔径的最小球体的直径,λ是波长(图1)。
  反应NF是最接近DUT天线的区域,不传播的渐逝场不仅在该区域占主导地位,而且该区域中的探测天线也将与DUT天线反应,有效地成为DUT辐射装置的一部分,这对可以进行的测量类型施加了很大的限制。
  辐射NF是探测天线不再与DUT天线反应的区域,但是场的行为和相位前沿不太可预测且表现良好。该区域中的测量还需要在补偿算法的发送和接收路径中访问相位恢复。
  辐射FF是可以估计相位前沿近似平面的区域,该区域非常适合测量相位和幅度,但缺点是路径损耗较大,DUT和探头天线之间的距离较大(有时甚至是笨重的)。
  那么,工程师定义OTA测量设置的关键考虑因素是什么?
  范围长度:探头和DUT之间的距离
  必须优化范围长度,以获得稳定和准确的测量结果。如上所述,如果需要在FF中进行测量,则范围长度最好保持在大于R = 2D2 /λ的距离。
  因此,腔室的尺寸直接受到所讨论的波长(频率)和器件天线尺寸的影响。例如,28GHz的5cm天线的远场范围约为50cm。对于相同频率的10 cm模块,需要增加到190 cm,对于15 cm设备,则增长到4 m以上(图2)。
 

  图2,范围长度
  DUT:mmWave OTA测试设置中的设备特性
  DUT的范围从辐射元件到整个器件。 在手机中,DUT将创建一个“D”(Device,设备),其中包括天线的机械尺寸以及与辐射元件的耦合。 第三代合作伙伴计划(3GPP)已经定义了三种DUT天线配置,包括(图3):
  配置1:DUT最多有一个天线面板,任何时候最大光圈等于或小于5厘米。
  配置2:DUT有多个天线面板,每个天线面板的最大光圈等于或小于5厘米,但在没有相干的情况下,这意味着它们可以作为独立面板处理
  配置3:DUT具有多个天线面板,并且这些面板之间存在相位/幅度相干性,这意味着它们不能被视为独立面板而“D”必须将它们全部封闭。
  

  图3,DUT天线不同配置
  黑盒测试
  黑盒测试是3GPP规定的设备一致性测试概念,工程师必须将天线的位置和数量视为未知,DUT被测试视为“黑盒子”,并且必须假设天线(D)的孔径与整个DUT的大小相同,因此,器件配置对FF测量所需的范围长度有影响(图4)。
 

  图4,黑盒测试
  静区(Quiet zone)
  静区是指RF传播可预测且表现良好的区域,这对于精度和可重复性非常重要,特别是对于RF参数的测试或需要低幅度和相位变化时。安静区域需要足够大,以包含正在测试的关键项目 - 无论是整个设备还是天线。被测设备或天线的尺寸决定了静区大小的要求。当然,所需的静区要求越大,所需的腔室就越大(图5)。
 

  图5,静区示意图
  CATR:DFF OTA测试的另一种方法
  紧凑型天线测试范围(CATR)是间接远场(IFF)OTA测试方法。CATR使用成形反射器来执行物理近场到远场变换。这导致较短的范围长度和较大的静区,因此根据给定的DUT尺寸,孔径尺寸和频率减小腔室的尺寸。从抛物面镜反射的光束成为准直光束。从球面波前到平面波前的这种转变使得大的静区具有非常小的幅度和相位波纹。由此产生的较短距离长度也意味着DUT和探头之间的路径损耗更小,从而可以获得更好的测量动态范围和更好的信噪比(SNR)(图6)。
 

  图6紧凑型天线测试范围(CATR)
  5G意味着mmWave OTA测试正在成为更主流的要求。这些类型的测量挑战对于大多数商业无线行业来说无疑是全新的领域。与mmWave和OTA测试专家合作非常重要,他们也参与了3GPP规范,以获得早期知识和需求的影响。几十年来,是德科技一直在提供商用mmWave测试功能,并建立了世界领先的mmWave OTA测试解决方案系列。

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