羅德與施瓦茨 有源天線系統的OTA測試平臺
2024-10-23
5G的空分復用為多個用戶提供數據，稱 將使用多天線技術，通過結合增強為大規模MIMO。一個結論是不能采用傳導方式評估輻射方向圖性能，因此必需通過OTA方式。本文在介紹使用OTA測試設備測量天線三維方向圖的技術要點之后，介紹OTA的具體測試方案。
5G在獲得更低運營成本 (OPEX) 的同時確保更高的吞吐率、更多的容量和實現的靈活性。其它目標包括超可靠低延遲通信 (uRLLC) 和大規模機器類通信 (mMTC)。軟件定義網絡(SDN) 和大規模MIMO多天線場景很可能是實現這些目標的技術選擇。
為了獲得更高的吞吐率必須有更寬的帶寬支撐，5G系統將使用厘米波和毫米波范圍的頻率。這種方案的一個缺點是自由空間路徑損耗將更大。提供更高天線增益的天線陣列可以補償自由空間路徑損耗。與900 MHz相比，為了在28 GHz頻率上保持相同的接收功率，意味著天線增益要增加30 dB。使用大量天線單元并控制能量方向，這被稱作波束賦形，可以實現這個目標。
波束賦形技術通過分配給每個用戶設備 (UE) 的信號只瞄準相應的單個用戶設備，顯著降低了能量消耗。而沒有使用波束賦形的基站，未被UE接收的能量可能對相鄰的多個UE產生干擾，或者被直接丟棄。
諸如LTE或WLAN等的當前標準采用MIMO，通過空分復用獲得較高容量。多用戶MIMO技術使用波束賦形，通過同時發送數據到不同的多個UE，擴展了MIMO。術語大規模MIMO描述了根據硬件配置和信道條件，波束賦形和多天線空間復用以動態方式的結合 (圖1)。
圖1：大規模MIMO：波束賦形和空分復用組合
一、大規模MIMO面臨的挑戰
雖然大規模MIMO具有許多優點，但也存在一些挑戰，包括：
前傳接口連接的高吞吐量
天線陣列校準
天線單元間的相互耦合
不規則的天線陣列
天線陣列的復雜性
大規模MIMO遭遇的挑戰還來自如何表征信號，測量天線陣列功率的要求不曾在傳統使用電纜傳導接口的場合出現過。有意義的表征只能使用OTA（Over-The-Air）測試實現。主要因為：成本、高頻率下進行耦合帶來的高插損等原因使得電纜測試方法不可行；以及大規模MIMO系統將無線收發器集成到天線中，這導致失去射頻測試端口。具體的測試方法有以下幾種。
二、近場測量和遠場測量方案
OTA測量系統可以根據取樣哪一部分輻射場來分類。近場區和遠場區由Fraunhofer距離R=2× D2/λ定義，其中D是最大天線口徑或尺寸。在近場區，在小于R的距離處，場強由感應分量和輻射分量組成；而在天線的遠場區僅有輻射分量場強。對于到遠場區的數學變換，需要精確測量包圍被測設備三維表面上的相位和幅度，由此產生天線的2維和3維增益圖。遠場區測量僅需要用幅度計算天線的波束圖，如果需要也可以在OTA單點處測量。對于小型設備（取決于波長），例如用戶設備，對于遠場條件所需的暗室尺寸由測量波長決定。對于較大的設備，例如基站或大規模MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測量系統能夠精確地對整個封閉表面上的電磁場的相位和幅度進行采樣，則暗室尺寸可以大大減小。在遠場區開展測量，需要直接測量平面波幅度，并且這樣的暗室通常相當大，暗室大小要綜合考慮被測設備尺寸和測量頻率。
圖2：OTA測試系統
羅德施瓦茨提供完整的OTA測試方案，如圖2所示。測試系統由微波暗室，放置待測物的轉臺，天線搖臂以及測試儀表(網分，信號源，頻譜儀等等)。根據測試的項目，選擇合適的測試儀表，基于高精度的3D測試定位裝置，在被測物周圍的球面做自動化的采樣測試，并記錄所有的采樣數據。采樣完成后，測試軟件會進行數據后處理，得到5G天線陣列的3D方向圖等數據，并根據數據，分析得到其他的測量指標結果。
三、緊湊型測量方案
雖然遠場通常是在離開被測設備適當距離處測量，但是可以通過控制電磁場，使得近場暗室可以用于直接測量平面波幅度。有兩種技術：
緊湊型區域暗室，最經常用于大型被測設備，如飛機和衛星；
平面波轉換器 (PWC)：在被測設備處創建平面波，這可以通過天線陣列替代測量天線實現。類似于在光學系統中使用透鏡，天線陣列可以在被測設備區域內的目標區位置生成平面遠場。下圖為2018年RS新推出的面向sub-6GMassive MIMO基站的測試系統：RS PWC200。
圖3：平面波轉換器 (PWC) 測試系統
RS PWC200平面波轉換器由上百個寬帶Vivaldi天線陣列組成，能夠在原本輻射近場距離制定區域內形成平面波，從而達到遠場測試的效果，因此大幅度的縮小遠場測試空間。PWC200可以實現實時輻射功率和收發器測量 (EVM，ACLR，SEM等)，是測量5G Massive MIMO基站相控天線陣列的理想原則。
毫米波終端研發與一致性測量方案
羅德與施瓦茨公司2018年推出的新型RS ATS1000測試暗室 (圖4) 能夠幫助開發人員和產線工程師對天線模塊，收發器，芯片組和無線設備進行5G空中 (OTA) 測量。 天線和收發器的測量可以在18 GHz到87 GHz的頻率范圍內進行。 因此該系統支持目前5G所關注的所有毫米波頻段。 另外，緊湊的測試室設計仍然可以實現在遠場情況下測量移動設備。
圖4： RS ATS1000測試暗室
用于天線陣列的快速OTA測試
RS ATS1000主要由一個RF屏蔽室，以及覆蓋整個頻率范圍的寬帶測量天線構成。屏蔽室體積為機架尺寸，并且裝有腳輪，有利于待測物件與傳感器的合理裝配。 使用相關的測試和測量設備以及RS AMS32天線測量軟件，可以在幾分鐘內完成5G天線陣列的輻射方向圖的精確測量。定位激光器有利于精確控制待測物件的擺放位置。 所有這些賦予了RS ATS1000天線測試系統快速，準確，可重復性強的特點，使其成為一套理想的測試環境。
首例3GPP 5G NR 射頻測量
通過結合RS ATS1000與RS TS8980 5G RF測試系統，用戶可以從OTA的測量中得到相關的RF參數 (例如：功率，ACLR和EVM)。這點對5G測試來說非常關鍵，因為許多5G組件沒有任何射頻接口，無法在傳導模式下進行測試。 另外，該系統能夠對5G器件進行全面的3D表征，驗證測量和功能測試。 羅德與施瓦茨的一致性測試方案會結合業界成熟的RS CONTEST軟件將結果以3D圖形的形式呈現出來。
四、結論
天線陣列將在未來的無線通信中發揮重要作用。然而在它們的研發、設計和生產中遇到的挑戰使得完整測試對于實現最佳性能至關重要。射頻測試端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率，使得OTA測試成為表征大規模MIMO陣列和內部收發器性能的必要手段。這將會推動OTA暗室和測量設備的大量需求，以便滿足測量天線輻射特性和收發器性能的嚴格要求。RS擁有傳導測試和OTA測試完整的解決方案，可以滿足5G陣列天線的測試需求。
最新資訊
