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以OTA測試來為毫米波設備把脈
最具挑戰性任務

【作者: 王岫晨】   2021年03月09日 星期二

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針對新的無線標準實作檢驗或生產測試策略十分困難。日趨複雜的5G New Radio(NR)等全新無線標準與技術,更讓前述作業難上加難。其中包括更大也更複雜的波形、呈指數增加的測試點,以及須採用波束賦形與相位陣列天線等技術的有限鏈路預算。


毫米波OTA測試

在目前,3GPP已經核准了5G New Radio(NR)的初始標準,並發佈了首批晶片組,為了滿足5G的嚴苛要求,一場設計並提供高品質裝置的大賽正式展開。5G NR 採用新技術,並透過靈活的參數集、更複雜的波形和通道編碼技術,來擴展毫米波(mmWave)頻率、更寬的通道頻寬,以及先進的多天線存取,最終達到效能改進的目標。這些新技術的結合,顯著增加了設計和測試的複雜性。


近幾年來,5G FR2毫米波(mmWave)服務將逐漸變得更普及,尤其是在北美及日本等已開發的經濟體。因此,預計5G mmWave終端的未來開發與認證測試也將變得更加重要。


毫米波終端必須在OTA環境中進行測試,但是由於毫米波和OTA的特性,除非每次都能將測試終端安裝在測試設備的相同位置,否則很難獲得可再現的測試結果。因此,終端的安裝/拆卸不僅必須十分容易,高度可重複的安裝位置也是獲得良好測量結果的關鍵。此外,如果無法根據終端設計(尤其是毫米波天線位置)選擇最佳的對準測項,將無法獲得準確的結果。


OTA測試的挑戰

毫米波終端必須在OTA環境中測試,但除非每次都能將測試終端安裝在測試設備的相同位置,否則很難獲得可再現的測試結果。

是德科技指出,毫米波頻率可提供更為連續的頻譜和頻寬更寬的無線通道,在5G通訊裡面是非常重要的技術。只不過,毫米波信號也會容易受到信號傳播問題的影響,例如路徑損失增加、延遲傳播,甚至是因機箱或人為干擾所導致的阻塞。這些因素使得建立和維護行動裝置到基地台的無線通訊鏈路變得更加困難。因此必須透過OTA的方式來測試具有整合天線的調變解調器。OTA測試可在各種真實情境下,顯示、分析並驗證5G裝置的波束碼型和效能。OTA(空中傳輸或稱為空口測試)是開發5G裝置時,最具挑戰性的任務之一。


我們可以看到在圖一中,相位陣列天線能夠產生具有較高天線增益的窄波束,以克服毫米波頻率下的更高路徑損失,其正在整合到5G裝置中,但沒有連接器或探測點以進行傳導測試。因此,需要OTA測試來驗證和最佳化5G裝置的效能。



圖一 : 具備移相器的多元件天線陣列,用來控制波束
圖一 : 具備移相器的多元件天線陣列,用來控制波束

測試遠場毫米波裝置

根據是德科技的毫米波測試白皮書,直接遠場中的量測,在概念上是最簡單和最全面的OTA量測系統類型。該裝置安裝在以方位角和仰角旋轉的定位器上。隨著頻率的增加和裝置輻射天線尺寸的增加,遠場距離也會變長。例如,輻射直徑為15公分並於28GHz下運行的裝置,會產生4.2公尺遠場距離和73dB路徑損耗。在此情況下,傳統遠場測試方式會造成遠場測試區域與路徑損耗過大,因而無法進行準確且可重複的OTA量測。


OTA測試方法

在開發週期的不同階段,從研發到相符性測試,再到製造、安裝和維護,都必須進行OTA測試。OTA測試解決方案必須具備靈活性,以處理各種需求。相符性測試是所有基地台和UE在進入市場之前必須通過的關鍵里程碑。3GPP相符性測試可分為射頻、無線資源管理(RRM)解調變,和信令測試。到目前為止,這些測試僅不到 50% 已定義,使得 OTA 測試方法仍有很大的缺口。


由於整個設計和驗證生命週期中的測試要求範圍廣泛,所以沒有任何一種測試方法可以完全涵蓋所有可能的測試。想要在5G NR裝置開發領域搶先獲得成功,瞭解根本的挑戰和OTA測試方法將不可或缺。


OTA測試解決方案


圖二 : 毫米波終端必須在OTA環境中進行測試。
圖二 : 毫米波終端必須在OTA環境中進行測試。

典型的OTA測試解決方案,包含了電磁波吸收室、不同的探量技術和測試設備,以產生並分析在空間中傳播的輻射信號。電磁波吸收室提供的非反射環境,可以屏蔽外部干擾, 以便在受控環境中產生並量測已知功率和方向的輻射信號。OTA測試方法可以大致由運作頻率、裝置輻射天線陣列尺寸,以及需要執行的測試來決定。到目前為止,3GPP已經核准了針對基地台和UE的三種射頻效能OTA測試方法。


在表一中,列出了各種3GPP核准的OTA測試方法。DFF測試方法功能最強大,涵蓋了廣泛領域的測試需求。但是,由於較大的輻射天線陣列會造成過度的路徑損失,DFF方法只能用於輻射天線陣列小於5cm的裝置。IFF測試方法是一種新的替代方案,它提供了比DFF方法距離要短得多的遠場測試環境。


表一:3GPP核准的OTA測試方法比較(source:keysight.com)

直接遠場(DFF

間接遠場(IFF

近場到遠場轉換(NFTF

一種簡單、全面的方法

在緊密的天線測試範圍(CATR)中提供近場到遠場轉換

一種能夠降低成本的緊密方法

對毫米波裝置,可能會有很大的較大路徑損失

適用毫米波裝置的測試,但並不適用空間RRM測試

且僅限於收發器應用,更別說沒有接收器或射頻參數測試


結語

全新的5G NR通訊技術和效能改善,推動了對新測試方法的需求。隨著更靈活的參數集、更複雜的波形和通道編碼技術、並擴展到毫米波頻率、更寬的通道頻寬,以及先進的多天線存取機制都在5G裝置中實現,設計人員也必須存取協定堆疊的多個層級,以充分測試傳輸速率和波束成形效能。此外,對OTA測試解決方案的需求也使情況更加複雜化。


對於測試業者來說,在早期階段與產業領導者合作,有助於釐清5G NR的複雜性,並進而開發涵蓋整個工作流程的測試解決方案,從模擬、開發和設計驗證,到相符性和驗收測試,一直到製造和部署等所有階段。


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