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毫米波OTA測試漫談

發表時間:2020-06-11 14:49

毫米波OTA測試漫談

原創 ETS中國 ETS Lindgren 2019-10-21

一.   毫米波概述

毫米波是指波長工作在1mmto 10mm的電磁波頻段,其對應的頻率為30GHz300GHz。毫米波在5G技術使用的空口頻段,也就是國際組織3GPP定義的頻率范圍為24.25GHz-52.6GHzFR2頻段,也稱為5G毫米波頻段。
毫米波具有很鮮明的優勢,同時又具有很明顯的劣勢。優點是根據無線電波的物理特性,以及香農定理。毫米波可以分配很大的帶寬,直接有效的提高信道容量,傳輸速度得以增強,同時它的缺點是傳輸損耗大,繞射衍射能力差,因此造成覆蓋區域小。因此業界主要觀點都認為5G毫米波將主要應用于近距離傳輸,以其大帶寬特性滿足熱點高容量和室內覆蓋需求,如固定無線接入(最后1 km),熱點地區的擴容等場景。
現階段國際產業鏈及運營商當前重點是24.5~27.5GHz31.8~33.4GHz37~43.5GHz。(圖1所示)


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全球主要國家和地區均對毫米波頻譜資源做了戰略規劃,其中美國于20181115日開始進行28GHz的頻譜拍賣,韓國于20196月完成了5G頻譜拍賣。我國工信部批復了24.75~27.5GHz37~42.5 GHz為我國毫米波的主力試驗研發頻段。我國工信部還在5G第二階段試驗開展了高頻系統測試,各個設備商都參與其中,主要測試頻段集中在26 GHz


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二.   毫米波在OTA測試中的測試場景

由于毫米波被測設備集成度高的特點,無法保留射頻傳導口,因此LTE以及之前普通的傳導測試方法將無法滿足毫米波的測試需求。

根據測試需求的難易程度,第一種為靜態測試,也就是鎖住被測設備的波束賦形能力,在靜態情況下完成各種測試指標,如EIRP/EIS/TRP/TIS等。測試手段主要集中在直接遠場、間接遠場和近場,下一章節會有詳細說明。

在第一種測試場景下,需要考慮的主要測試特點為測試時間、測試精度、測試的簡單便捷行。

第二種為動態能力測試,也就是被測物處于被設置好的可控的測試環境下,對它的發射性能、接收性能、捕捉性能、快速切換性能進行測試。換句話說,也就是在實驗室設置多種模擬現實使用情況的測試環境,對被測物進行全面評估。

第三種測試場景:搭建同時可以評估基站和終端的雙向測試環境,引入模擬現實環境特點的可控的信道模型,來對整個上下行鏈路同時進行評估。

為了實現以上三種測試場景,我們需要根據他們不同的特點,來選擇搭建靈活高效的實驗室環境。同時要考慮測試系統的復雜度、穩定性、兼容性、設備利用率、維護難易等特點。ETS-LindgrenOTA測試領域多年的深耕以及深厚的技術儲備,積攢了大量的實際測試經驗和具備測試先進性探索能力。我們呼吁測試標準的制定應該全面考慮測試環境的可實現性、低系統不確定度、高穩定性、設備高利用率,以及維護成本可接受度等特點。從而避免陷入搭建一套系統滿足所有測試需求的不科學認知。

三.   暗室測試方法

目前國際標準定義的5G 毫米波OTA測試方法有:直接遠場(DirectFar Field, DFF)、間接遠場(Indirect Far Field, IFF)、近場轉換遠場(Near Field To Far-field, NFTF)

測試方法定義根據測量距離區分。在傳統遠場電波暗室中,根據22.5度相位原則,最小遠場測量距離R 需要基于遠場公式計算:微信圖片_20200611145839.png其中D 為待測物(DeviceUnder Test, DUT)輻射部分的最小直徑大小。在不同天線尺寸和頻率的近/遠場邊界如下:

Near field/far field boundary for differentfrequencies and antenna sizes for a traditional far field anechoic chamber

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直接遠場(DirectFar Field, DFF) 測試測試方法距離滿足微信圖片_20200611145839.png使用直接遠場測試時,DUT和測量天線不受耦合影響,理論上是非常好的方法。但是從上表可以看到,當DUT尺寸越大,要求的測量距離越遠,損耗越大,測試難度越大,不確定性增加,造成暗室建造成本非常高。

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Centre of beam measurement setup of UE RFcharacteristics


間接遠場(Indirect Far Field, IFF) IFF一種方法是使用反射面實現球面波到平面波的轉換,這也叫緊縮場天線測試方法(Compact Antenna Test Range, CATR.CATR不需要滿足遠場距離(微信圖片_20200611145839.png)就可以實現標準遠場條件下的平面波,如下表所示。所以成本上來說,相對直接遠場減少很多。但是CATR測量精度主要由反射面天線、測量天線、暗室結構等影響,設計要求高,難度大。


Near field/far field boundary for differentfrequencies and antenna sizes for a traditional far field anechoic chamber

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Example of CATR path losses

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IFF method 1 (CATR) measurement setup of UERF characteristic

近場轉換遠場(NearField To Far-field, NFTF) NFTF方法是直接在近場測試,利用相位參考信號,再使用傅里葉變換,把近場幅度和相位轉換為遠場來計算遠場中定義的測試結果。


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Typical NFTF measurement setup of EIRP/TRPmeasurements


在近場測試時,由于被測天線(Antenna under TestAUT)和測量天線(TestAntenna, TA) 距離近,所以AUTTA之間有耦合,為了滿足測試結果高準確度,需要高密度采樣,從而造成測試速度很慢。并且近場測試方法無法滿足EVMBERBLER throuhput等指標的測試。


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四.    ETS產品介紹

隨著第五代(5G)移動通信和毫米波的到來,以及自適應天線系統(AAS)包括波束成形,波束追蹤等技術的應用。作為RFEMCOTA測試和測量解決方案的領導者,ETS-Lindgren不僅可以提供各種類型暗室,同時也提供一體化的5G和毫米波測試方案。我們不僅是有深厚技術積淀的行業領導者,而且我們也有能力和我們的客戶一起合作,提供最佳的測試方案,并且可以針對其特定產品提供定制化測試方案。因此ETS-Lindgren提供的解決方案可以滿足通用和獨特的要求。我們已經開發了以下指南將幫助您選擇合適的標準化5G產品。如果您的要求不能從下面的系統之一得到滿足,ETS-Lindgren會討論您的測試需求,可以為您開發一個定制化的解決方案。下面是目前現有的產品簡介及圖樣以供參考。


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