5G毫米波OTA測試的關鍵概念和定義

本文作者：是德科技 Jessy Cavazos

在5G之前，大多數無線設備測試都是使用導線方法進行的。這包括測試數據機晶片組，射頻（RF）參數測試以及完整的設備功能和性能驗證。無線（OTA）測試方法主要用於天線性能測試和設備多輸入多輸出（MIMO）性能測量。5G毫米波（mmWave）設備代表了無線行業的顛覆性轉變，因為OTA是所有無線電測試案例測試方法中唯一可行的。

在mmWave頻率下，較高的路徑損耗和較短的波長需要可控的定向天線（增益） - 通常是相控陣天線。除了傳統的LTE和Frequency range1（FR1）單極天線之外，許多5G設備還需要多組mmWave天線。由於mmWave天線必須直接連接到RF前端（RFFE）放大器，因此無法以較低頻率的方式訪問和測試設備，需要採用輻射測試方法。

傳統的傳導RF測試方法在測量解決方案和被測設備（DUT）之間使用高性能同軸電纜。 OTA用空中鏈路取代該電纜，DUT通過該鏈路直接與作為測試解決方案一部分的天線進行通信。為了確保良好的RF環境（即可測試的傳輸線以及消除外部幹擾），OTA連接最好在暗室內部進行管理。

因此，典型的OTA測量解決方案包括RF測量設備和暗室。暗室有幾個基本組件：

外殼本身具有適當的RF隔離和內部屏蔽，可將信號的內部反射降至最低

測量天線或「探頭」天線，為DUT提供主要RF測量鏈路

定位器可以改變DUT的方向或位置

用於控制定位器和測量設備的軟體。

在為所需測量選擇正確的設置時，工程師需要考慮幾個因素。但首先，快速回顧一下電磁場的相關經驗法則。

從波傳輸說開

圖一，無功近場（無功NF），輻射近場（輻射NF）和輻射遠場（輻射FF）區別

隨著天線的距離增加，電磁場的行為和特性會發生變化。上面的簡化模型顯示了三個受關注的區域：無功近場（無功NF），輻射近場（輻射NF）和輻射遠場（輻射FF）。在進行OTA測量時，必須考慮每個區域的特性，考慮DUT和探頭天線之間的距離。例如，在NF中進行測量需要近場到遠場轉換(NF-FF)的軟體，這需要相位恢復或控制到DUT的輸入相位。在該圖中，R是距天線的徑向距離，D是可以圍繞輻射天線孔徑的最小球體的直徑，λ是波長（圖1）。

反應NF是最接近DUT天線的區域，不傳播的漸逝場不僅在該區域佔主導地位，而且該區域中的探測天線也將與DUT天線反應，有效地成為DUT輻射裝置的一部分，這對可以進行的測量類型施加了很大的限制。

輻射NF是探測天線不再與DUT天線反應的區域，但是場的行為和相位前沿不太可預測且表現良好。該區域中的測量還需要在補償算法的發送和接收路徑中訪問相位恢復。

輻射FF是可以估計相位前沿近似平面的區域，該區域非常適合測量相位和幅度，但缺點是路徑損耗較大，DUT和探頭天線之間的距離較大（有時甚至是笨重的）。

那麼，工程師定義OTA測量設置的關鍵考慮因素是什麼？

範圍長度：探頭和DUT之間的距離

必須優化範圍長度，以獲得穩定和準確的測量結果。如上所述，如果需要在FF中進行測量，則範圍長度最好保持在大於R = 2D2 /λ的距離。

因此，腔室的尺寸直接受到所討論的波長（頻率）和器件天線尺寸的影響。例如，28GHz的5cm天線的遠場範圍約為50cm。對於相同頻率的10 cm模塊，需要增加到190 cm，對於15 cm設備，則增長到4 m以上（圖2）。

圖2，範圍長度

DUT：mmWave OTA測試設置中的設備特性

DUT的範圍從輻射元件到整個器件。 在手機中，DUT將創建一個「D」（Device，設備），其中包括天線的機械尺寸以及與輻射元件的耦合。 第三代合作夥伴計劃（3GPP）已經定義了三種DUT天線配置，包括（圖3）：

配置1：DUT最多有一個天線面板，任何時候最大光圈等於或小於5釐米。

配置2：DUT有多個天線面板，每個天線面板的最大光圈等於或小於5釐米，但在沒有相干的情況下，這意味著它們可以作為獨立面板處理

配置3：DUT具有多個天線面板，並且這些面板之間存在相位/幅度相干性，這意味著它們不能被視為獨立面板而「D」必須將它們全部封閉。

圖3，DUT天線不同配置

黑盒測試

黑盒測試是3GPP規定的設備一致性測試概念，工程師必須將天線的位置和數量視為未知，DUT被測試視為「黑盒子」，並且必須假設天線（D）的孔徑與整個DUT的大小相同，因此，器件配置對FF測量所需的範圍長度有影響（圖4）。

圖4，黑盒測試

靜區（Quiet zone）

靜區是指RF傳播可預測且表現良好的區域，這對於精度和可重複性非常重要，特別是對於RF參數的測試或需要低幅度和相位變化時。安靜區域需要足夠大，以包含正在測試的關鍵項目 - 無論是整個設備還是天線。被測設備或天線的尺寸決定了靜區大小的要求。當然，所需的靜區要求越大，所需的腔室就越大（圖5）。

圖5，靜區示意圖

CATR：DFF OTA測試的另一種方法

緊湊型天線測試範圍（CATR）是間接遠場（IFF）OTA測試方法。CATR使用成形反射器來執行物理近場到遠場變換。這導致較短的範圍長度和較大的靜區，因此根據給定的DUT尺寸，孔徑尺寸和頻率減小腔室的尺寸。從拋物面鏡反射的光束成為準直光束。從球面波前到平面波前的這種轉變使得大的靜區具有非常小的幅度和相位波紋。由此產生的較短距離長度也意味著DUT和探頭之間的路徑損耗更小，從而可以獲得更好的測量動態範圍和更好的信噪比（SNR）（圖6）。


圖6緊湊型天線測試範圍（CATR）

5G意味著mmWave OTA測試正在成為更主流的要求。這些類型的測量挑戰對於大多數商業無線行業來說無疑是全新的領域。與mmWave和OTA測試專家合作非常重要，他們也參與了3GPP規範，以獲得早期知識和需求的影響。幾十年來，是德科技一直在提供商用mmWave測試功能，並建立了世界領先的mmWave OTA測試解決方案系列。

關鍵字：5G  mmWave  OTA  毫米波 編輯：冀凱 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic473071.html 本網站轉載的所有的文章、圖片、音頻視頻文件等資料的版權歸版權所有人所有，本站採用的非本站原創文章及圖片等內容無法一一聯繫確認版權者。如果本網所選內容的文章作者及編輯認為其作品不宜公開自由傳播，或不應無償使用，請及時通過電子郵件或電話通知我們，以迅速採取適當措施，避免給雙方造成不必要的經濟損失。

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