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以OTA测试来为毫米波设备把脉
最具挑战性任务

【作者: 王岫晨】2021年03月09日 星期二

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针对新的无线标准实作检验或生产测试策略十分困难。日趋复杂的5G New Radio(NR)等全新无线标准与技术,更让前述作业难上加难。其中包括更大也更复杂的波形、呈指数增加的测试点,以及须采用波束赋形与相位阵列天线等技术的有限链路预算。


毫米波OTA测试

在目前,3GPP已经核准了5G New Radio(NR)的初始标准,并发布了首批晶片组,为了满足5G的严苛要求,一场设计并提供高品质装置的大赛正式展开。5G NR 采用新技术,并透过灵活的叁数集、更复杂的波形和通道编码技术,来扩展毫米波(mmWave)频率、更宽的通道频宽,以及先进的多天线存取,最终达到效能改进的目标。这些新技术的结合,显着增加了设计和测试的复杂性。


近几年来,5G FR2毫米波(mmWave)服务将逐渐变得更普及,尤其是在北美及日本等已开发的经济体。因此,预计5G mmWave终端的未来开发与认证测试也将变得更加重要。


毫米波终端必须在OTA环境中进行测试,但是由於毫米波和OTA的特性,除非每次都能将测试终端安装在测试设备的相同位置,否则很难获得可再现的测试结果。因此,终端的安装/拆卸不仅必须十分容易,高度可重复的安装位置也是获得良好测量结果的关键。此外,如果无法根据终端设计(尤其是毫米波天线位置)选择最隹的对准测项,将无法获得准确的结果。


OTA测试的挑战

毫米波终端必须在OTA环境中测试,但除非每次都能将测试终端安装在测试设备的相同位置,否则很难获得可再现的测试结果。

是德科技指出,毫米波频率可提供更为连续的频谱和频宽更宽的无线通道,在5G通讯里面是非常重要的技术。只不过,毫米波信号也会容易受到信号传播问题的影响,例如路径损失增加、延迟传播,甚至是因机箱或人为干扰所导致的阻塞。这些因素使得建立和维护行动装置到基地台的无线通讯链路变得更加困难。因此必须透过OTA的方式来测试具有整合天线的调变解调器。OTA测试可在各种真实情境下,显示、分析并验证5G装置的波束码型和效能。OTA(空中传输或称为空囗测试)是开发5G装置时,最具挑战性的任务之一。


我们可以看到在图一中,相位阵列天线能够产生具有较高天线增益的窄波束,以克服毫米波频率下的更高路径损失,其正在整合到5G装置中,但没有连接器或探测点以进行传导测试。因此,需要OTA测试来验证和最隹化5G装置的效能。



图一 : 具备移相器的多元件天线阵列,用来控制波束
图一 : 具备移相器的多元件天线阵列,用来控制波束

测试远场毫米波装置

根据是德科技的毫米波测试白皮书,直接远场中的量测,在概念上是最简单和最全面的OTA量测系统类型。该装置安装在以方位角和仰角旋转的定位器上。随着频率的增加和装置辐射天线尺寸的增加,远场距离也会变长。例如,辐射直径为15公分并於28GHz下运行的装置,会产生4.2公尺远场距离和73dB路径损耗。在此情况下,传统远场测试方式会造成远场测试区域与路径损耗过大,因而无法进行准确且可重复的OTA量测。


OTA测试方法

在开发周期的不同阶段,从研发到相符性测试,再到制造、安装和维护,都必须进行OTA测试。OTA测试解决方案必须具备灵活性,以处理各种需求。相符性测试是所有基地台和UE在进入市场之前必须通过的关键里程碑。3GPP相符性测试可分为射频、无线资源管理(RRM)解调变,和信令测试。到目前为止,这些测试仅不到 50% 已定义,使得 OTA 测试方法仍有很大的缺囗。


由於整个设计和验证生命周期中的测试要求范围广泛,所以没有任何一种测试方法可以完全涵盖所有可能的测试。想要在5G NR装置开发领域抢先获得成功,了解根本的挑战和OTA测试方法将不可或缺。


OTA测试解决方案


图二 : 毫米波终端必须在OTA环境中进行测试。
图二 : 毫米波终端必须在OTA环境中进行测试。

典型的OTA测试解决方案,包含了电磁波吸收室、不同的探量技术和测试设备,以产生并分析在空间中传播的辐射信号。电磁波吸收室提供的非反射环境,可以屏蔽外部干扰, 以便在受控环境中产生并量测已知功率和方向的辐射信号。OTA测试方法可以大致由运作频率、装置辐射天线阵列尺寸,以及需要执行的测试来决定。到目前为止,3GPP已经核准了针对基地台和UE的三种射频效能OTA测试方法。


在表一中,列出了各种3GPP核准的OTA测试方法。DFF测试方法功能最强大,涵盖了广泛领域的测试需求。但是,由於较大的辐射天线阵列会造成过度的路径损失,DFF方法只能用於辐射天线阵列小於5cm的装置。IFF测试方法是一种新的替代方案,它提供了比DFF方法距离要短得多的远场测试环境。


(表一)3GPP核准的OTA测试方法比较(source: keysight.com)

直接远场(DFF

间接远场(IFF

近场到远场转换(NFTF

一种简单、全面的方法

在紧密的天线测试范围(CATR)中提供近场到远场转换

一种能够降低成本的紧密方法

对毫米波装置,可能会有很大的较大路径损失

适用毫米波装置的测试,但并不适用空间RRM测试

且仅限於收发器应用,更别说没有接收器或射频叁数测试


结语

全新的5G NR通讯技术和效能改善,推动了对新测试方法的需求。随着更灵活的叁数集、更复杂的波形和通道编码技术、并扩展到毫米波频率、更宽的通道频宽,以及先进的多天线存取机制都在5G装置中实现,设计人员也必须存取协定堆叠的多个层级,以充分测试传输速率和波束成形效能。此外,对OTA测试解决方案的需求也使情况更加复杂化。


对於测试业者来说,在早期阶段与产业领导者合作,有助於厘清5G NR的复杂性,并进而开发涵盖整个工作流程的测试解决方案,从模拟、开发和设计验证,到相符性和验收测试,一直到制造和部署等所有阶段。


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