罗德与施瓦茨 有源天线系统的OTA测试平台
2024-10-23
5G的空分复用为多个用户提供数据，称 将使用多天线技术，通过结合增强为大规模MIMO。一个结论是不能采用传导方式评估辐射方向图性能，因此必需通过OTA方式。本文在介绍使用OTA测试设备测量天线三维方向图的技术要点之后，介绍OTA的具体测试方案。
5G在获得更低运营成本 (OPEX) 的同时确保更高的吞吐率、更多的容量和实现的灵活性。其它目标包括超可靠低延迟通信 (uRLLC) 和大规模机器类通信 (mMTC)。软件定义网络(SDN) 和大规模MIMO多天线场景很可能是实现这些目标的技术选择。
为了获得更高的吞吐率必须有更宽的带宽支撑，5G系统将使用厘米波和毫米波范围的频率。这种方案的一个缺点是自由空间路径损耗将更大。提供更高天线增益的天线阵列可以补偿自由空间路径损耗。与900 MHz相比，为了在28 GHz频率上保持相同的接收功率，意味着天线增益要增加30 dB。使用大量天线单元并控制能量方向，这被称作波束赋形，可以实现这个目标。
波束赋形技术通过分配给每个用户设备 (UE) 的信号只瞄准相应的单个用户设备，显著降低了能量消耗。而没有使用波束赋形的基站，未被UE接收的能量可能对相邻的多个UE产生干扰，或者被直接丢弃。
诸如LTE或WLAN等的当前标准采用MIMO，通过空分复用获得较高容量。多用户MIMO技术使用波束赋形，通过同时发送数据到不同的多个UE，扩展了MIMO。术语大规模MIMO描述了根据硬件配置和信道条件，波束赋形和多天线空间复用以动态方式的结合 (图1)。
图1：大规模MIMO：波束赋形和空分复用组合
一、大规模MIMO面临的挑战
虽然大规模MIMO具有许多优点，但也存在一些挑战，包括：
前传接口连接的高吞吐量
天线阵列校准
天线单元间的相互耦合
不规则的天线阵列
天线阵列的复杂性
大规模MIMO遭遇的挑战还来自如何表征信号，测量天线阵列功率的要求不曾在传统使用电缆传导接口的场合出现过。有意义的表征只能使用OTA（Over-The-Air）测试实现。主要因为：成本、高频率下进行耦合带来的高插损等原因使得电缆测试方法不可行；以及大规模MIMO系统将无线收发器集成到天线中，这导致失去射频测试端口。具体的测试方法有以下几种。
二、近场测量和远场测量方案
OTA测量系统可以根据取样哪一部分辐射场来分类。近场区和远场区由Fraunhofer距离R=2× D2/λ定义，其中D是最大天线口径或尺寸。在近场区，在小于R的距离处，场强由感应分量和辐射分量组成；而在天线的远场区仅有辐射分量场强。对于到远场区的数学变换，需要精确测量包围被测设备三维表面上的相位和幅度，由此产生天线的2维和3维增益图。远场区测量仅需要用幅度计算天线的波束图，如果需要也可以在OTA单点处测量。对于小型设备（取决于波长），例如用户设备，对于远场条件所需的暗室尺寸由测量波长决定。对于较大的设备，例如基站或大规模MIMO，所需的暗室尺寸可能变得非常大。如果测量系统能够精确地对整个封闭表面上的电磁场的相位和幅度进行采样，则暗室尺寸可以大大减小。在远场区开展测量，需要直接测量平面波幅度，并且这样的暗室通常相当大，暗室大小要综合考虑被测设备尺寸和测量频率。
图2：OTA测试系统
罗德施瓦茨提供完整的OTA测试方案，如图2所示。测试系统由微波暗室，放置待测物的转台，天线摇臂以及测试仪表(网分，信号源，频谱仪等等)。根据测试的项目，选择合适的测试仪表，基于高精度的3D测试定位装置，在被测物周围的球面做自动化的采样测试，并记录所有的采样数据。采样完成后，测试软件会进行数据后处理，得到5G天线阵列的3D方向图等数据，并根据数据，分析得到其他的测量指标结果。
三、紧凑型测量方案
虽然远场通常是在离开被测设备适当距离处测量，但是可以通过控制电磁场，使得近场暗室可以用于直接测量平面波幅度。有两种技术：
紧凑型区域暗室，最经常用于大型被测设备，如飞机和卫星；
平面波转换器 (PWC)：在被测设备处创建平面波，这可以通过天线阵列替代测量天线实现。类似于在光学系统中使用透镜，天线阵列可以在被测设备区域内的目标区位置生成平面远场。下图为2018年RS新推出的面向sub-6GMassive MIMO基站的测试系统：RS PWC200。
图3：平面波转换器 (PWC) 测试系统
RS PWC200平面波转换器由上百个宽带Vivaldi天线阵列组成，能够在原本辐射近场距离制定区域内形成平面波，从而达到远场测试的效果，因此大幅度的缩小远场测试空间。PWC200可以实现实时辐射功率和收发器测量 (EVM，ACLR，SEM等)，是测量5G Massive MIMO基站相控天线阵列的理想原则。
毫米波终端研发与一致性测量方案
罗德与施瓦茨公司2018年推出的新型RS ATS1000测试暗室 (图4) 能够帮助开发人员和产线工程师对天线模块，收发器，芯片组和无线设备进行5G空中 (OTA) 测量。 天线和收发器的测量可以在18 GHz到87 GHz的频率范围内进行。 因此该系统支持目前5G所关注的所有毫米波频段。 另外，紧凑的测试室设计仍然可以实现在远场情况下测量移动设备。
图4： RS ATS1000测试暗室
用于天线阵列的快速OTA测试
RS ATS1000主要由一个RF屏蔽室，以及覆盖整个频率范围的宽带测量天线构成。屏蔽室体积为机架尺寸，并且装有脚轮，有利于待测物件与传感器的合理装配。 使用相关的测试和测量设备以及RS AMS32天线测量软件，可以在几分钟内完成5G天线阵列的辐射方向图的精确测量。定位激光器有利于精确控制待测物件的摆放位置。 所有这些赋予了RS ATS1000天线测试系统快速，准确，可重复性强的特点，使其成为一套理想的测试环境。
首例3GPP 5G NR 射频测量
通过结合RS ATS1000与RS TS8980 5G RF测试系统，用户可以从OTA的测量中得到相关的RF参数 (例如：功率，ACLR和EVM)。这点对5G测试来说非常关键，因为许多5G组件没有任何射频接口，无法在传导模式下进行测试。 另外，该系统能够对5G器件进行全面的3D表征，验证测量和功能测试。 罗德与施瓦茨的一致性测试方案会结合业界成熟的RS CONTEST软件将结果以3D图形的形式呈现出来。
四、结论
天线阵列将在未来的无线通信中发挥重要作用。然而在它们的研发、设计和生产中遇到的挑战使得完整测试对于实现最佳性能至关重要。射频测试端口消失以及使用厘米波和毫米波频率，使得OTA测试成为表征大规模MIMO阵列和内部收发器性能的必要手段。这将会推动OTA暗室和测量设备的大量需求，以便满足测量天线辐射特性和收发器性能的严格要求。RS拥有传导测试和OTA测试完整的解决方案，可以满足5G阵列天线的测试需求。
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