5G毫米波終端OTA測試挑戰(zhàn)與測試方案

谷思佳

5G技術(shù)定義了三大典型的應(yīng)用場景，即增強的移動寬帶（EMBB：Enhanced Mobile Broadband）、海量機器類型通信 （massive Machine Type Communications：mMTC） 和超高可靠低延遲通信 （Ultra-Reliable & Low Latency Communications：URLLC）。為了增加小區(qū)容量，5G采用大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）技術(shù)，利用MIMO（Multiple-in-Multiple-out）和波束賦形的技術(shù)。當(dāng)前的4G系統(tǒng)使用單用戶MIMO，用戶設(shè)備 （user equipment：UE） 計算逆信道矩陣以提取分離的數(shù)據(jù)流。5G采用了多用戶MIMO技術(shù)，能夠給不同的用戶發(fā)送不同的功率等級，從而更加靈活地分配信道資源。此外，結(jié)合波束賦形技術(shù)，多用戶MIMO可以通過給單獨UE發(fā)送具有較強指向性的信號來降低系統(tǒng)功耗。

5G OTA測試挑戰(zhàn)

眾所周知，MIMO和波束賦形的技術(shù)都離不開天線陣列。如今，天線陣列的陣子達到了上百甚至上千個。由于大規(guī)模天線陣的設(shè)計，研發(fā)和生產(chǎn)過程中，天線方向圖，射頻指標(biāo)等參數(shù)是天線陣的重要考察指標(biāo)，因此OTA（Over-the-air）測試是研究天線陣性能的主要方法。天線陣子數(shù)量的增加提高了通信系統(tǒng)復(fù)雜性，這對天線陣性能評估提出了新的要求，面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點。

首先，隨著頻率的提高，設(shè)備的射頻前端和天線陣子高度集成化，由于待測件可能不存在測試接口，以往能夠通過傳導(dǎo)法進行的測試項目（如發(fā)射機和接收機項目）需要通過空口方式進行。其次，由于毫米波頻段的空間損耗與線損相比傳統(tǒng)通信低頻的損耗要高許多，這會影響測試系統(tǒng)的動態(tài)范圍，從而影響測試項目的可行性，測試精度等一系列參數(shù)。因此，如何提高測試環(huán)境的動態(tài)范圍是個難點，也是系統(tǒng)設(shè)計方案中需要著重考慮的方面。總體來講，OTA將滲透到產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的各個階段。

OTA系統(tǒng)解決方案

羅德與施瓦茨提供交鑰匙的天線和OTA系統(tǒng)測試解決方案，暗室類型包括直接遠場、近場、平面波轉(zhuǎn)換器和金屬反射面緊縮場等。

毫米波終端研發(fā)與預(yù)一致性測量方案：R&S?ATS1000測試系統(tǒng)

R&S?ATS1000測試系統(tǒng)是根據(jù)3GPP測試規(guī)范設(shè)計的白盒測試方案 [1]。R&S?ATS1000能夠幫助研發(fā)人員和產(chǎn)線工程師對天線模塊、收發(fā)器、芯片組和無線設(shè)備進行OTA測量。結(jié)合相關(guān)的測試設(shè)備，整個系統(tǒng)可以在18 GHz到90 GHz的頻率范圍內(nèi)進行測試，可以覆蓋目前5G所關(guān)注的所有毫米波頻段。

R&S?ATS1000暗室主要由RF屏蔽室、吸波材料、高精度3D轉(zhuǎn)臺、天線搖臂以及覆蓋整個頻率范圍的測量天線構(gòu)成。暗室的結(jié)構(gòu)設(shè)計十分緊湊，高度為2米，占地面積不到1.5平米，是市面上占地面積最小、帶有3D高精度轉(zhuǎn)臺的毫米波直接遠場測試暗室之一。此外，暗室底部裝有萬向腳輪，用戶可以輕松地將暗室推到合適的位置，并且在需要的時候?qū)凳乙苿游恢茫S富了系統(tǒng)的靈活性。另外，暗室頂部和側(cè)方的激光定位器有利于精確控制待測件的擺放位置。因為根據(jù)白盒的測試定義，需要將待測天線嚴格對準轉(zhuǎn)臺中心，以達到最佳的測量精度。總之，R&S?ATS1000測試系統(tǒng)是一套快速，準確，可重復(fù)性強測試環(huán)境。

R&S?AMS32是暗室自動化控制軟件，R&S?ATS1000結(jié)合相關(guān)測試設(shè)備可以在幾分鐘內(nèi)完成5G天線陣列的輻射方向圖的精確測量。此外，通過結(jié)合R&S?ATS1000與R&S?TS8980測試系統(tǒng)，用戶可以從OTA的測量中得到相關(guān)的RF參數(shù)（例如：功率，ACLR和EVM）。

由于毫米波待測件沒有射頻口，高低溫測試也需要在OTA的環(huán)境下進行。然而加熱整個暗室非常困難，一方面由于暗室內(nèi)的吸波材料無法承受較高的溫度;另一方面，溫度的變化將會影響暗室轉(zhuǎn)臺的機械精度與使用壽命。因此需要在暗室內(nèi)部建立一個溫度箱，DUT在溫度箱內(nèi)，并且箱體內(nèi)的維度可以控制。當(dāng)然高低溫箱需要具有較好的透波性能來低限度的減少對待測件射頻性能的影響。但是，在高低溫箱存在的情況下進行3D的采樣測試是個難點。R&S?ATS1000暗室系統(tǒng)較好的解決了這個問題。我們設(shè)計了一個溫度罩將待測件及轉(zhuǎn)臺完全包裹住，溫度罩連接到暗室外的壓縮機，能夠保證溫度罩內(nèi)的溫度從-40°到85°快速變化。這樣設(shè)計的好處在于，第一，暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺和搖臂的轉(zhuǎn)動范圍不受溫控箱影響，系統(tǒng)仍然可以進行3D方向圖測試，解決了大部分帶溫控箱的暗室只能進行單點或者二維測試的難題;第二，溫度罩的材料為透波低損耗材料，而且能夠?qū)囟扔行У乜刂圃贒UT周圍而不會影響到暗室外部其他部分，如吸波材料和轉(zhuǎn)臺。

毫米波終端一致性測量方案：R&S?ATS1800C緊縮場測試系統(tǒng)

OTA的遠場距離公式為R=2D2/λ定義，其中D是最大天線口徑或尺寸，λ為對應(yīng)頻率的波長[2]。由公式可知，毫米波終端所需的遠場距離較遠。舉例來說，一個工作在28 GHz，對尺寸為15 cm的終端做整機測試時，其遠場距離為4.2m。這個距離采用直接遠場法會導(dǎo)致很高的損耗，因此3GPP中將整機一致性（包括射頻和協(xié)議）的測試場型定位緊縮場[1]。

R&S?ATS1800C是羅德與施瓦茨提供的緊縮場測試方案，暗室提供30cm的靜區(qū)，能夠支持3GPP要求的黑盒測試。此外，結(jié)合相關(guān)的測試設(shè)備，整個系統(tǒng)支持3GPP所要求的帶內(nèi)與帶外的測試評估要求。另外，配合高精度轉(zhuǎn)臺，系統(tǒng)能夠支持認證測試中的頭、手模型，是目前市場上最早支持該模型的暗室系統(tǒng)。R&S?ATS1800C與R&S?ATS1000外形結(jié)構(gòu)類似，是市場上占地面積最小、帶有3D高精度轉(zhuǎn)臺、擁有30cm靜區(qū)、支持頭手模型、高低溫測試的毫米波緊縮場測試暗室之一。

OTA系統(tǒng)將通過R&S?Contest實現(xiàn)自動化控制，通過結(jié)合R&S?ATS1800C與R&S?TS8980測試系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)3GPP的測試用例進行一致性測試。總之，R&S?ATS1800C測試系統(tǒng)是一套快速，準確，可重復(fù)性強測試環(huán)境。

小結(jié)

天線陣列在5G通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。天線陣在研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)階段需要完備的測試設(shè)備對其性能進行評估。OTA測試是表征大規(guī)模MIMO陣列和內(nèi)部收發(fā)器性能的必要手段。這將會推動OTA暗室和測量設(shè)備跟新迭代，以便滿足測量天線輻射特性和收發(fā)器性能的要求。羅德與施瓦茨擁有OTA測試完整的解決方案以及大量相關(guān)領(lǐng)域的測試經(jīng)驗，可以滿足5G毫米波終端的測試需求。