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5G讯号当道 OTA测试关键任务
毫米波高频测试

【作者: 王岫晨】2021年12月24日 星期五

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从现在到2030年,5G将持续保有世界上最重要的蜂窝技术的主导地位。在接下来的10年里,原始设备制造商必须不断创新,以便他们能够继续满足对更快、更广泛和更可靠连接的需求。凭借更快的速度和超低延迟,新的5G无线电网络已经在许多应用市场中运作,包括汽车、工业、医疗和国防等。


5G带来的改变

5G无线电网路带来了主要的频域挑战和架构变化。 5G频率范围包括低频段(低于6 GHz)和高频段毫米波(24 GHz至100 GHz范围)。电路架构的挑战在于在管理系统级电源的同时,还增加了网路上的通道数量。


与4G系统相比,5G系统速度快上数百倍,延迟降低10倍,网路密度更高,可支持数十亿台设备。例如,透过4G下载一部高清电影需要几十分钟,而透过5G下载只需几秒钟。 4G系统的延迟在50到200毫秒之间,接近人类视觉刺激反应的250毫秒。但使用5G,延迟降至1毫秒。尽管如此,增加的速度和额外的设备及用户的组合,也大幅地影响了系统功率。


在5G网路中,需要提供更多容量和灵活性,同时降低系统运营费用(OPEX)。增加容量的最简单方法,是增加网路中的基地台数量。然而,由于这种方法会产生高昂的用地和能源消耗成本,因此接受度十分有限。一种更省时省力的方法,是使用大量具有幅度和相位控制的TX和RX天线元件,也就是发射端与接收端,这些被称为大规模MIMO系统(Massive MIMO)。有多种方法可以操作此类系统,它们可用于透过空间重复使用来允许多个预编码数据流,或透过波束成形技术,以及两者组合等方式来增加增益。


在现有的6GHz以下频谱中,基地台通常应用大量TX与RX天线元件,来为多个用户提供并行数据流服务,这就是多用户MIMO(MU-MIMO)。相比之下,厘米波和毫米波频谱中的高路径损耗衰减,需要更高的天线增益,这是透过应用动态波束成形来实现的。 MU-MIMO和波束成形等技术都可以在不需要额外基地台的情况下,增加小区域的传输容量。


OTA测试挑战


图一 : 在NR中,3GPP规范了两个分离的频谱,FR1和FR2。在FR1中,一般可能会使用导电测试。但是FR2就必须被迫使用OTA。
图一 : 在NR中,3GPP规范了两个分离的频谱,FR1和FR2。在FR1中,一般可能会使用导电测试。但是FR2就必须被迫使用OTA。

在设计大规模MIMO天线系统时,开发工程师面临新的挑战,包括功率放大器(PA)的热效应和模组之间的频率漂移,这些都会影响所需的波束图形。在天线系统中,收发器前端与天线阵列整合在一起,这意味着无法再使用传统的RF输出接口。此外,光纤接口也取代了传统RF输入接口。因此,空口测试(Over The Air;OTA)成为大规模MIMO系统的惯用的测试方式,也用于对传播信道的空间特性进行建模。由于大规模MIMO系统的大小不同,因此远场条件下的测试需要多种屏蔽环境。


对于无线通信系统,用户设备测试在本质上是传导测量。即使在元件端,RF连接器也可用于测量RF性能。此类指标可分为TX性能参数(例如功率电平、EVM质量或频谱发射)和RX性能参数(例如接收器灵敏度和选择性)。天线在整体传输性能中也起到了至关重要的作用。


由于晶片组和天线的整合度不断提高,以及毫米波范围内使用了更高的频率,晶片组测试、RF测试和天线特性之间的界限变得模糊。高度整合的天线不再允许对晶片组和天线进行隔离测试。在FR2的高频波段中,透过电缆连接器的方式不再可行。缩小元件尺寸只会产生很小的影响。相较之下,会产生成本和其他问题相关的重大挑战,例如路径衰减、连接器之间的RF匹配,以及连接设置对弯曲的敏感性。测试设置变化的主要原因在于使用者设备(UE)中引入了定向天线。因此,波束成形不再是仅在基地台中才能找到的功能,为此必须创建一个新的测量场域。


比较起时间度量(例如功率与时间)、频谱度量(例如频谱发射掩模)和代码域度量(例如代码域功率),基于空间域的度量变得很重要。球面辐射方向图和球面接收器特性等术语,在测试与测量产业中已经司空见惯。天线在无线通信系统中发挥了举足轻重的作用。现代通信技术使用复杂的方法,例如天线、硬体整合、主动式元件和定向天线等。尤其是在5G NR中的毫米波频率范围(FR2)等更高频率下,由于天线尺寸、电缆成本和设置复杂性,以及弯曲或不匹配的脆弱性,传统透过缆线来进行DUT测量的方式不再可行。我们甚至可以说,测试的方式发生了典范式的改变。由于导入了定向天线,因此必须在空间域中进行测量,OTA空口测试是必须采用的方法。


OTA测试的重要性


图二 : OTA已是5G天线测试不可或缺的步骤。图为OTA测试设备。(source:R&S.com)
图二 : OTA已是5G天线测试不可或缺的步骤。图为OTA测试设备。(source:R&S.com)

为什么OTA成为5G NR中的一个大挑战?在5G NR中,3GPP规范中规定了两个分离的频谱。一个是FR1(低于6GHz),另一个是FR2(毫米波)。在FR1中,一般可能会像使用 2G、3G、4G技术一样继续进行导电测试。但是,在FR2中,就必须被迫使用OTA。这其中牵涉到以下几个原因。


复杂性

在FR2中,几乎可以肯定将会使用某种类型的阵列天线(大规模MIMO)。这意味着设备上将有很多天线。如果想进行导电测试,则必须连接数量庞大且复杂的线路,而如果使用OTA,则可以更为简洁快速的测试。基于测试的时间与成本等考量,采用OTA是最好的方案。


空间不足

有许多理由都必须使用OTA,尽管电缆连接已经够复杂了,但测试工程师仍将面临另一个严重的问题。即使天线阵列中有许多天线元件,天线模组的整个尺寸在毫米波频率下也不够大,无法容纳所有电缆连接器。


成本

假设测试中必须使用导电测试,尽管已经存在所有复杂性和空间问题,但在这种情况下,导电测试也存在其他问题。在大多数常规测试中,可能使用了低成本的SMA连接器和电缆。但是,却无法在毫米波中使用SMA类型的连接器或电缆来进行准确测量。如果频率更高,这时候便需要K连接器或更特殊的连接器和电缆(例如V连接器)。这些类型的特殊连接器和电缆的成本远高于那些SMA缆线。如果将来需要使用非常高的频率(例如超过60GHz),透过OTA会是更好的方法。


测量的物理性质

即使克服了上述所有问题,由于测量本身的性质,某些类型的测量也需要OTA。例如,如果要检测天线阵列形成的波束方向,就必须依靠OTA测量。尽管可能仍然可以透过导电测试来做到这一点。从理论上讲,可以将来自每个天线元件路径的所有信号降低到基频带,并透过基频来确定波束方向(和波束的其他性质),理论上这是可能的。但是如果有像OTA测试这样相对简单的方法,就应该要选择OTA测试。


结语

5G NR技术推动了对新测试方法的需求。随着更灵活的参数集、更复杂的波形和通道编码技术、并扩展到毫米波频率、更宽的通道频宽,以及先进的多天线存取机制都在5G装置中实现,设计人员也必须存取协定堆叠的多个层级,以充分测试传输速率和波束成形效能。此外,对OTA测试解决方案的需求也使情况更加复杂化。对于测试业者来说,在早期阶段与产业领导者合作,有助于厘清5G NR的复杂性,并进而开发涵盖整个工作流程的测试解决方案。


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