5G訊號當道 OTA測試關(guān)鍵任務(wù) ?毫米波高頻測試

從現在到2030年，5G將持續保有世界上最重要的蜂窩技術(shù)的主導地位。在接下來(lái)的10年里，原始設備制造商必須不斷創(chuàng )新，以便他們能夠繼續滿(mǎn)足對更快、更廣泛和更可靠連接的需求。憑借更快的速度和超低延遲，新的5G無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)在許多應用市場(chǎng)中運作，包括汽車(chē)、工業(yè)、醫療和國防等。

5G帶來(lái)的改變
5G無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了主要的頻域挑戰和架構變化。5G頻率范圍包括低頻段（低于6 GHz）和高頻段毫米波（24 GHz至100 GHz范圍）。電路架構的挑戰在于在管理系統級電源的同時(shí)，還增加了網(wǎng)絡(luò )上的信道數量。

與4G系統相比，5G系統速度快上數百倍，延遲降低10倍，網(wǎng)絡(luò )密度更高，可支持數十億臺設備。例如，透過(guò)4G下載一部高清電影需要幾十分鐘，而透過(guò)5G下載只需幾秒鐘。4G系統的延遲在50到200毫秒之間，接近人類(lèi)視覺(jué)刺激反應的250毫秒。但使用5G，延遲降至1毫秒。盡管如此，增加的速度和額外的設備及用戶(hù)的組合，也大幅地影響了系統功率。

在5G網(wǎng)絡(luò )中，需要提供更多容量和靈活性，同時(shí)降低系統運營(yíng)費用（OPEX）。增加容量的最簡(jiǎn)單方法，是增加網(wǎng)絡(luò )中的基地臺數量。然而，由于這種方法會(huì )產(chǎn)生高昂的用地和能源消耗成本，因此接受度十分有限。一種更省時(shí)省力的方法，是使用大量具有幅度和相位控制的TX和RX天線(xiàn)組件，也就是發(fā)射端與接收端，這些被稱(chēng)為大規模MIMO系統（Massive MIMO）。有多種方法可以操作此類(lèi)系統，它們可用于透過(guò)空間重復使用來(lái)允許多個(gè)預編碼數據流，或透過(guò)波束成形技術(shù)，以及兩者組合等方式來(lái)增加增益。

在現有的6GHz以下頻譜中，基地臺通常應用大量TX與RX天線(xiàn)組件，來(lái)為多個(gè)用戶(hù)提供并行數據流服務(wù)，這就是多用戶(hù)MIMO（MU-MIMO）。相比之下，厘米波和毫米波頻譜中的高路徑損耗衰減，需要更高的天線(xiàn)增益，這是透過(guò)應用動(dòng)態(tài)波束成形來(lái)實(shí)現的。MU-MIMO和波束成形等技術(shù)都可以在不需要額外基地臺的情況下，增加小區域的傳輸容量。

OTA測試挑戰

 
圖一 : 在NR中，3GPP規范了兩個(gè)分離的頻譜，FR1和FR2。在FR1中，一般可能會(huì )使用導電測試。但是FR2就必須被迫使用OTA。

在設計大規模MIMO天線(xiàn)系統時(shí)，開(kāi)發(fā)工程師面臨新的挑戰，包括功率放大器（PA）的熱效應和模塊之間的頻率漂移，這些都會(huì )影響所需的波束圖形。在天線(xiàn)系統中，收發(fā)器前端與天線(xiàn)數組整合在一起，這意味著(zhù)無(wú)法再使用傳統的RF輸出接口。此外，光纖接口也取代了傳統RF輸入接口。因此，空口測試（Over The Air；OTA）成為大規模MIMO系統的慣用的測試方式，也用于對傳播信道的空間特性進(jìn)行建模。由于大規模MIMO系統的大小不同，因此遠場(chǎng)條件下的測試需要多種屏蔽環(huán)境。

對于無(wú)線(xiàn)通信系統，用戶(hù)設備測試在本質(zhì)上是傳導測量。即使在組件端，RF連接器也可用于測量RF性能。此類(lèi)指針可分為T(mén)X性能參數（例如功率電平、EVM質(zhì)量或頻譜發(fā)射）和RX性能參數（例如接收器靈敏度和選擇性）。天線(xiàn)在整體傳輸性能中也起到了至關(guān)重要的作用。

由于芯片組和天線(xiàn)的整合度不斷提高，以及毫米波范圍內使用了更高的頻率，芯片組測試、RF測試和天線(xiàn)特性之間的界限變得模糊。高度整合的天線(xiàn)不再允許對芯片組和天線(xiàn)進(jìn)行隔離測試。在FR2的高頻波段中，透過(guò)電纜連接器的方式不再可行?？s小組件尺寸只會(huì )產(chǎn)生很小的影響。相較之下，會(huì )產(chǎn)生成本和其他問(wèn)題相關(guān)的重大挑戰，例如路徑衰減、連接器之間的RF匹配，以及連接設置對彎曲的敏感性。測試設置變化的主要原因在于使用者設備（UE）中引入了定向天線(xiàn)。因此，波束成形不再是僅在基地臺中才能找到的功能，為此必須創(chuàng )建一個(gè)新的測量場(chǎng)域。

比較起時(shí)間度量（例如功率與時(shí)間）、頻譜度量（例如頻譜發(fā)射掩模）和代碼域度量（例如代碼域功率），基于空間域的度量變得很重要。球面輻射方向圖和球面接收器特性等術(shù)語(yǔ)，在測試與測量產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)司空見(jiàn)慣。天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信系統中發(fā)揮了舉足輕重的作用?，F代通信技術(shù)使用復雜的方法，例如天線(xiàn)、硬件整合、主動(dòng)式組件和定向天線(xiàn)等。尤其是在5G NR中的毫米波頻率范圍（FR2）等更高頻率下，由于天線(xiàn)尺寸、電纜成本和設置復雜性，以及彎曲或不匹配的脆弱性，傳統透過(guò)纜線(xiàn)來(lái)進(jìn)行DUT測量的方式不再可行。我們甚至可以說(shuō)，測試的方式發(fā)生了典范式的改變。由于導入了定向天線(xiàn)，因此必須在空間域中進(jìn)行測量，OTA空口測試是必須采用的方法。

OTA測試的重要性

 
圖二 : OTA已是5G天線(xiàn)測試不可或缺的步驟。圖為OTA測試設備。（source：R&S.com）

為什么OTA成為5G NR中的一個(gè)大挑戰？在5G NR中，3GPP規范中規定了兩個(gè)分離的頻譜。一個(gè)是FR1（低于6GHz），另一個(gè)是FR2（毫米波）。在FR1中，一般可能會(huì )像使用 2G、3G、4G技術(shù)一樣繼續進(jìn)行導電測試。但是，在FR2中，就必須被迫使用OTA。這其中牽涉到以下幾個(gè)原因。

復雜性
在FR2中，幾乎可以肯定將會(huì )使用某種類(lèi)型的數組天線(xiàn)（大規模MIMO）。這意味著(zhù)設備上將有很多天線(xiàn)。如果想進(jìn)行導電測試，則必須連接數量龐大且復雜的線(xiàn)路，而如果使用OTA，則可以更為簡(jiǎn)潔快速的測試?；跍y試的時(shí)間與成本等考慮，采用OTA是最好的方案。

空間不足
有許多理由都必須使用OTA，盡管電纜連接已經(jīng)夠復雜了，但測試工程師仍將面臨另一個(gè)嚴重的問(wèn)題。即使天線(xiàn)數組中有許多天線(xiàn)組件，天線(xiàn)模塊的整個(gè)尺寸在毫米波頻率下也不夠大，無(wú)法容納所有電纜連接器。

成本
假設測試中必須使用導電測試，盡管已經(jīng)存在所有復雜性和空間問(wèn)題，但在這種情況下，導電測試也存在其他問(wèn)題。在大多數常規測試中，可能使用了低成本的SMA連接器和電纜。但是，卻無(wú)法在毫米波中使用SMA類(lèi)型的連接器或電纜來(lái)進(jìn)行準確測量。如果頻率更高，這時(shí)候便需要K連接器或更特殊的連接器和電纜（例如V連接器)。這些類(lèi)型的特殊連接器和電纜的成本遠高于那些SMA纜線(xiàn)。如果將來(lái)需要使用非常高的頻率（例如超過(guò)60GHz），透過(guò)OTA會(huì )是更好的方法。

測量的物理性質(zhì)
即使克服了上述所有問(wèn)題，由于測量本身的性質(zhì)，某些類(lèi)型的測量也需要OTA。例如，如果要檢測天線(xiàn)數組形成的波束方向，就必須依靠OTA測量。盡管可能仍然可以透過(guò)導電測試來(lái)做到這一點(diǎn)。從理論上講，可以將來(lái)自每個(gè)天線(xiàn)組件路徑的所有信號降低到基頻帶，并透過(guò)基頻來(lái)確定波束方向（和波束的其他性質(zhì)），理論上這是可能的。但是如果有像OTA測試這樣相對簡(jiǎn)單的方法，就應該要選擇OTA測試。

結語(yǔ)
5G NR技術(shù)推動(dòng)了對新測試方法的需求。隨著(zhù)更靈活的參數集、更復雜的波形和信道編碼技術(shù)、并擴展到毫米波頻率、更寬的信道帶寬，以及先進(jìn)的多天線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)機制都在5G裝置中實(shí)現，設計人員也必須存取協(xié)議堆棧的多個(gè)層級，以充分測試傳輸速率和波束成形效能。此外，對OTA測試解決方案的需求也使情況更加復雜化。對于測試業(yè)者來(lái)說(shuō)，在早期階段與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導者合作，有助于厘清5G NR的復雜性，并進(jìn)而開(kāi)發(fā)涵蓋整個(gè)工作流程的測試解決方案。