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羅德與施瓦茨 有源天線系統(tǒng)的OTA測試平臺
2024-10-23
5G的空分復(fù)用為多個用戶提供數(shù)據(jù)，稱 將使用多天線技術(shù)，通過結(jié)合增強為大規(guī)模MIMO。一個結(jié)論是不能采用傳導(dǎo)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(shè)備測量天線三維方向圖的技術(shù)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(xiàn)的靈活性。其它目標(biāo)包括超可靠低延遲通信 (uRLLC) 和大規(guī)模機器類通信 (mMTC)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN) 和大規(guī)模MIMO多天線場景很可能是實現(xiàn)這些目標(biāo)的技術(shù)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(tǒng)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(xiàn)這個目標(biāo)。
波束賦形技術(shù)通過分配給每個用戶設(shè)備 (UE) 的信號只瞄準(zhǔn)相應(yīng)的單個用戶設(shè)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(chǎn)生干擾，或者被直接丟棄。
諸如LTE或WLAN等的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)采用MIMO，通過空分復(fù)用獲得較高容量。多用戶MIMO技術(shù)使用波束賦形，通過同時發(fā)送數(shù)據(jù)到不同的多個UE，擴展了MIMO。術(shù)語大規(guī)模MIMO描述了根據(jù)硬件配置和信道條件，波束賦形和多天線空間復(fù)用以動態(tài)方式的結(jié)合 (圖1)。
圖1：大規(guī)模MIMO：波束賦形和空分復(fù)用組合
一、大規(guī)模MIMO面臨的挑戰(zhàn)
雖然大規(guī)模MIMO具有許多優(yōu)點，但也存在一些挑戰(zhàn)，包括：
前傳接口連接的高吞吐量
天線陣列校準(zhǔn)
天線單元間的相互耦合
不規(guī)則的天線陣列
天線陣列的復(fù)雜性
大規(guī)模MIMO遭遇的挑戰(zhàn)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(tǒng)使用電纜傳導(dǎo)接口的場合出現(xiàn)過。有意義的表征只能使用OTA（Over-The-Air）測試實現(xiàn)。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(guī)模MIMO系統(tǒng)將無線收發(fā)器集成到天線中，這導(dǎo)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(tǒng)可以根據(jù)取樣哪一部分輻射場來分類。近場區(qū)和遠場區(qū)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(qū)，在小于R的距離處，場強由感應(yīng)分量和輻射分量組成；而在天線的遠場區(qū)僅有輻射分量場強。對于到遠場區(qū)的數(shù)學(xué)變換，需要精確測量包圍被測設(shè)備三維表面上的相位和幅度，由此產(chǎn)生天線的2維和3維增益圖。遠場區(qū)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(shè)備（取決于波長），例如用戶設(shè)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(shè)備，例如基站或大規(guī)模MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測量系統(tǒng)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(qū)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(dāng)大，暗室大小要綜合考慮被測設(shè)備尺寸和測量頻率。
圖2：OTA測試系統(tǒng)
羅德施瓦茨提供完整的OTA測試方案，如圖2所示。測試系統(tǒng)由微波暗室，放置待測物的轉(zhuǎn)臺，天線搖臂以及測試儀表(網(wǎng)分，信號源，頻譜儀等等)。根據(jù)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(shù)據(jù)。采樣完成后，測試軟件會進行數(shù)據(jù)后處理，得到5G天線陣列的3D方向圖等數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)，分析得到其他的測量指標(biāo)結(jié)果。
三、緊湊型測量方案
雖然遠場通常是在離開被測設(shè)備適當(dāng)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(shù)：
緊湊型區(qū)域暗室，最經(jīng)常用于大型被測設(shè)備，如飛機和衛(wèi)星；
平面波轉(zhuǎn)換器 (PWC)：在被測設(shè)備處創(chuàng)建平面波，這可以通過天線陣列替代測量天線實現(xiàn)。類似于在光學(xué)系統(tǒng)中使用透鏡，天線陣列可以在被測設(shè)備區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)區(qū)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(tǒng)：RS PWC200。
圖3：平面波轉(zhuǎn)換器 (PWC) 測試系統(tǒng)
RS PWC200平面波轉(zhuǎn)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(qū)域內(nèi)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(xiàn)實時輻射功率和收發(fā)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(fā)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(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5G空中 (OTA) 測量。 天線和收發(fā)器的測量可以在18 GHz到87 GHz的頻率范圍內(nèi)進行。 因此該系統(tǒng)支持目前5G所關(guān)注的所有毫米波頻段。 另外，緊湊的測試室設(shè)計仍然可以實現(xiàn)在遠場情況下測量移動設(shè)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(gòu)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(guān)的測試和測量設(shè)備以及RS AMS32天線測量軟件，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。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(tǒng)快速，準(zhǔn)確，可重復(fù)性強的特點，使其成為一套理想的測試環(huán)境。
首例3GPP 5G NR 射頻測量
通過結(jié)合RS ATS1000與RS TS8980 5G RF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)。這點對5G測試來說非常關(guān)鍵，因為許多5G組件沒有任何射頻接口，無法在傳導(dǎo)模式下進行測試。 另外，該系統(tǒng)能夠?qū)?G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(jié)合業(yè)界成熟的RS CONTEST軟件將結(jié)果以3D圖形的形式呈現(xiàn)出來。
四、結(jié)論
天線陣列將在未來的無線通信中發(fā)揮重要作用。然而在它們的研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)使得完整測試對于實現(xiàn)最佳性能至關(guān)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(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)備的大量需求，以便滿足測量天線輻射特性和收發(fā)器性能的嚴(yán)格要求。RS擁有傳導(dǎo)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。
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