5G毫米波終端OTA測試挑戰與測試方案

谷思佳

5G技術定義了三大典型的應用場景，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）。為了增加小區容量，5G采用大規模天線陣列（Massive MIMO）技術，利用MIMO（Multiple-in-Multiple-out）和波束賦形的技術。當前的4G系統使用單用戶MIMO，用戶設備 （user equipment：UE） 計算逆信道矩陣以提取分離的數據流。5G采用了多用戶MIMO技術，能夠給不同的用戶發送不同的功率等級，從而更加靈活地分配信道資源。此外，結合波束賦形技術，多用戶MIMO可以通過給單獨UE發送具有較強指向性的信號來降低系統功耗。

5G OTA測試挑戰

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

首先，隨著頻率的提高，設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，以往能夠通過傳導法進行的測試項目（如發射機和接收機項目）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通信低頻的損耗要高許多，這會影響測試系統的動態范圍，從而影響測試項目的可行性，測試精度等一系列參數。因此，如何提高測試環境的動態范圍是個難點，也是系統設計方案中需要著重考慮的方面。總體來講，OTA將滲透到產品研發和生產的各個階段。

OTA系統解決方案

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

毫米波終端研發與預一致性測量方案：R&S?ATS1000測試系統

R&S?ATS1000測試系統是根據3GPP測試規范設計的白盒測試方案 [1]。R&S?ATS1000能夠幫助研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OTA測量。結合相關的測試設備，整個系統可以在18 GHz到90 GHz的頻率范圍內進行測試，可以覆蓋目前5G所關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轉臺、天線搖臂以及覆蓋整個頻率范圍的測量天線構成。暗室的結構設計十分緊湊，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，并且在需要的時候將暗室移動位置，豐富了系統的靈活性。另外，暗室頂部和側方的激光定位器有利于精確控制待測件的擺放位置。因為根據白盒的測試定義，需要將待測天線嚴格對準轉臺中心，以達到最佳的測量精度。總之，R&S?ATS1000測試系統是一套快速，準確，可重復性強測試環境。

R&S?AMS32是暗室自動化控制軟件，R&S?ATS1000結合相關測試設備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。此外，通過結合R&S?ATS1000與R&S?TS8980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）。

由于毫米波待測件沒有射頻口，高低溫測試也需要在OTA的環境下進行。然而加熱整個暗室非常困難，一方面由于暗室內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臺的機械精度與使用壽命。因此需要在暗室內部建立一個溫度箱，DUT在溫度箱內，并且箱體內的維度可以控制。當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暗室系統較好的解決了這個問題。我們設計了一個溫度罩將待測件及轉臺完全包裹住，溫度罩連接到暗室外的壓縮機，能夠保證溫度罩內的溫度從-40°到85°快速變化。這樣設計的好處在于，第一，暗室內的轉臺和搖臂的轉動范圍不受溫控箱影響，系統仍然可以進行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，而且能夠將溫度有效地控制在DUT周圍而不會影響到暗室外部其他部分，如吸波材料和轉臺。

毫米波終端一致性測量方案：R&S?ATS1800C緊縮場測試系統

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致很高的損耗，因此3GPP中將整機一致性（包括射頻和協議）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，能夠支持3GPP要求的黑盒測試。此外，結合相關的測試設備，整個系統支持3GPP所要求的帶內與帶外的測試評估要求。另外，配合高精度轉臺，系統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。R&S?ATS1800C與R&S?ATS1000外形結構類似，是市場上占地面積最小、帶有3D高精度轉臺、擁有30cm靜區、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系統將通過R&S?Contest實現自動化控制，通過結合R&S?ATS1800C與R&S?TS8980測試系統，用戶可以根據3GPP的測試用例進行一致性測試。總之，R&S?ATS1800C測試系統是一套快速，準確，可重復性強測試環境。

小結

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