5G OTA 测试:关键概念和定义

标签:RF5GOTA射频
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5G 之前,大多数无线设备测试都是使用传导测试方法进行的。这包括调制解调器芯片组的测试、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 是所有无线电测试用例测试方法的唯一可行方法。
 
在毫米波频率下,更高的路径损耗和更短的波长需要可电控的定向天线(增益)——通常是相控阵。除了传统的 LTE 和频率范围 1 (FR1) 单极天线外,许多 5G 设备还需要多组毫米波天线。由于毫米波天线必须直接绑定到射频前端 (RFFE) 放大器,因此无法以较低频率的方式访问和测试设备。需要辐射测试方法。
 
传统的传导射频测试方法在测量解决方案和被测设备 (DUT) 之间使用性能良好、可预测的传输线——通常是同轴电缆。OTA 用无线链路取代了这条电缆,DUT 通过无线链路直接与作为测试解决方案一部分的天线通信。为确保良好的射频环境(即可预测的传输线加上消除外部干扰),OTA 连接最好在暗室内进行管理。
 
因此,典型的 OTA 测量解决方案包括射频测量设备和暗室。有几个与腔室相关的基本组件:
 
外壳本身,具有适当的射频隔离和内部处理,可将信号的内部反射降至最低
 
为 DUT 提供主要射频测量链路的测量天线或“探针”天线 
 
可以改变 DUT 方向或位置的定位器
 
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用语和经验法则。
 
波传播是如何工作的?
 
OTA
 
随着与天线的电磁距离增加,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关注区域:电抗近场(reactive NF)、辐射近场(radiated NF)和辐射远场(radiated FF)。在进行 OTA 测量时,必须根据每个区域的特性考虑 DUT 和探头天线之间的距离。例如,在 NF 中进行测量需要使用转换技术将 NF 结果转换为 FF 等效项。这需要相位恢复或控制 DUT 的输入相位。在该图中,R 是与天线的径向距离,D 是可以围绕辐射天线孔径的最小球体的直径,λ 是波长。
 
无功 NF 是最靠近 DUT 天线的区域。不仅非传播倏逝场在该区域中占主导地位,而且该区域中的探测天线也会与 DUT 天线发生反应,有效地成为 DUT 辐射装置的一部分。这极大地限制了可以进行的测量类型。
 
辐射 NF 是探针天线将不再与 DUT 天线发生反应的区域,但场行为和相位前部的可预测性较差且表现良好。该区域的测量还需要在发射和接收路径中访问相位恢复,以用于补偿算法。
辐射 FF 是一个可以将相前估计为近似平面的区域。该区域非常适合测量相位和幅度,但缺点是路径损耗更大,并且 DUT 和探头天线之间的距离更大(有时难以操作)。
 
那么,工程师定义 OTA 测量设置的主要考虑因素是什么?
 
距离长度: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 中测量,最好将距离长度保持在大于R = 2 D 2 /λ 的距离。
 
因此,腔室的尺寸直接受到所讨论的波长(频率)和设备天线尺寸的影响。例如,5 厘米天线在 28 GHz 的远场约为 50 厘米。对于相同频率的 10 cm 模块,它增加到 190 cm,对于 15 cm 器件,它增加到超过 4 m。
 
OTA
 
DUT:毫米波 OTA 测试设置中的设备特性
 
DUT 的范围可以从辐射元件到整个设备。在手机中,DUT 将创建一个“D”,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) 定义了三种 DUT 天线配置,包括
 
配置 1:DUT 最多有一个最大孔径等于或小于 5 cm 的天线面板在任何时候处于活动状态
 
配置 2:DUT 有多个天线面板,每个天线面板的最大孔径等于或小于 5 厘米,每个天线面板在任何时候都处于活动状态但没有相干性,这意味着它们可以被视为独立面板
 
配置 3:DUT 有多个天线面板,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的面板,D 必须将它们全部包围起来
 
OTA
 
黑盒测试
 
黑盒测试是 3GPP 强制要求的设备一致性测试概念,其中工程师必须将天线的位置和数量视为未知。DUT 作为“黑匣子”进行测试,并且必须假定天线的孔径 (D) 与整个 DUT 的尺寸相同。因此,设备配置会影响 FF 测量所需的距离长度。
 
OTA
 
安静区域
 
静区是射频传播可预测且表现良好的区域。这对于准确性和可重复性很重要,特别是对于射频参数的测试或需要低幅度和相位变化时。静区需要足够大以包含被测试的关键项目——无论是整个设备,还是只是天线。被测设备或天线的尺寸决定了静区尺寸的要求。当然,所需的静区越大,腔室也需要越大。
 
OTA
 
CATR:DFF OTA 测试的另一种方法
 
紧凑型天线测试范围 (CATR) 是一种间接远场 (IFF) OTA 测试方法。CATR 使用成形反射器来执行物理近场到远场的转换。这会导致更短的距离长度和更大的静区,从而根据给定的 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变成准直光束。这种从球面波阵面到平面波阵面的转变可以实现具有非常小的幅度和相位纹波的大静区。由此产生的更短范围长度也意味着 DUT 和探头之间的路径损耗更小,从而实现更好的测量动态范围和更好的信噪比 (SNR)。
 
OTA
 
5G 意味着毫米波 OTA 测试正在成为更主流的需求。这些类型的测量所面临的挑战对于许多商业无线行业来说都是新的。与参与 3GPP 规范的 mmWave 和 OTA 测试专家合作非常重要,以便及早了解和影响需求。
 
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