المفاهيم والتعريفات الرئيسية لاختبار OTA لموجة 5G ملليمتر

"قبل 5G، تم إجراء معظم اختبارات الأجهزة اللاسلكية باستخدام الطريقة السلكية. يتضمن ذلك اختبار شرائح المودم واختبار معلمات التردد اللاسلكي (RF) والتحقق من وظيفة الجهاز وأدائه بالكامل. تُستخدم طرق الاختبار عبر الهواء (OTA) بشكل أساسي لاختبار أداء الهوائي وقياس أداء المدخلات المتعددة والمخرجات المتعددة (MIMO) للجهاز. تمثل أجهزة الموجات المليمترية 5G (mmWave) تغييرًا مدمرًا في الصناعة اللاسلكية، لأن OTA هي طريقة الاختبار الوحيدة الممكنة لجميع حالات اختبار الراديو.

"

قبل 5G، تم إجراء معظم اختبارات الأجهزة اللاسلكية باستخدام الطريقة السلكية. يتضمن ذلك اختبار شرائح المودم واختبار معلمات التردد اللاسلكي (RF) والتحقق من وظيفة الجهاز وأدائه بالكامل. تُستخدم طرق الاختبار عبر الهواء (OTA) بشكل أساسي لاختبار أداء الهوائي وقياس أداء المدخلات المتعددة والمخرجات المتعددة (MIMO) للجهاز. تمثل أجهزة الموجات المليمترية 5G (mmWave) تغييرًا مدمرًا في الصناعة اللاسلكية، لأن OTA هي طريقة الاختبار الوحيدة الممكنة لجميع حالات اختبار الراديو.

في ترددات الموجات mmWave ، تتطلب خسارة المسار الأعلى والأطوال الموجية الأقصر هوائيًا اتجاهيًا يمكن التحكم فيه (كسب) - عادة هوائي صفيف مرحلي. بالإضافة إلى الهوائيات أحادية القطب LTE ومدى التردد 1 (FR1) ، تتطلب العديد من أجهزة 5G أيضًا مجموعات متعددة من هوائيات mmWave. نظرًا لأنه يجب توصيل هوائي mmWave مباشرة بمكبر التردد اللاسلكي (RFFE) ، فمن المستحيل الوصول إلى الجهاز واختباره بطريقة التردد المنخفض ، كما أن طرق اختبار الإشعاع مطلوبة.

تستخدم طرق اختبار التردد اللاسلكي التقليدية كبلات محورية عالية الأداء بين محلول القياس والجهاز قيد الاختبار (DUT). يستبدل OTA هذا الكابل بوصلة هوائية يتصل من خلالها DUT مباشرة بالهوائي الذي يعد جزءًا من حل الاختبار. من أجل ضمان بيئة RF جيدة (أي اختبار خطوط النقل والقضاء على التداخل الخارجي)، من الأفضل إدارة اتصالات OTA داخل الغرفة المظلمة.

لذلك ، تشمل حلول قياس OTA النموذجية معدات قياس الترددات اللاسلكية والغرف المظلمة. الغرفة المظلمة لها العديد من الأساسيات مكونات:

يحتوي السكن نفسه على عزل مناسب للتردد اللاسلكي (RF) وتدريع داخلي ، والذي يمكن أن يقلل من الانعكاس الداخلي للإشارة

يوفر هوائي القياس أو هوائي "المسبار" رابط قياس التردد الراديوي الرئيسي لـ DUT

يمكن أن يغير محدد الموقع اتجاه أو موضع DUT

برنامج للتحكم في أجهزة تحديد المواقع ومعدات القياس.

عند اختيار الإعدادات الصحيحة للقياس المطلوب ، يحتاج المهندس إلى مراعاة عدة عوامل. لكن أولاً ، مراجعة سريعة لقواعد التجربة ذات الصلة للمجالات الكهرومغناطيسية.

لنبدأ مع انتقال الموجة
　

الشكل 1. الفرق بين المجال القريب التفاعلي (NF التفاعلي) والمجال القريب المشع (NF المشع) والمجال البعيد المشع (التردد المشع)

مع زيادة مسافة الهوائي ، سيتغير سلوك وخصائص المجال الكهرومغناطيسي. يوضح النموذج المبسط أعلاه ثلاثة مجالات اهتمام: المجال القريب التفاعلي (NF التفاعلي) ، والمجال القريب المشع (NF المشع) ، والمجال البعيد المشع (FF المشع). عند إجراء قياسات OTA ، يجب مراعاة خصائص كل منطقة ، ويجب مراعاة المسافة بين DUT وهوائي المسبار. على سبيل المثال ، يتطلب القياس في NF برنامج تحويل من مجال قريب إلى مجال بعيد (NF-FF) ، والذي يتطلب استرداد الطور أو التحكم في مرحلة الإدخال إلى DUT. في هذا الشكل ، R هي المسافة الشعاعية من الهوائي ، و D هو قطر أصغر كرة يمكن أن تحيط بفتحة الهوائي المشع ، و هو الطول الموجي (الشكل 1).

رد فعل NF هو المنطقة الأقرب إلى هوائي DUT. لا يهيمن المجال الزائل غير المنتشر في هذه المنطقة فحسب ، بل إن هوائي الكشف في هذه المنطقة سيتفاعل أيضًا مع هوائي DUT ويصبح جزءًا من جهاز إشعاع DUT. يفرض نوع القياس المنجز قيودًا كبيرة.

إن NF المشع هو المنطقة التي لم يعد فيها هوائي الكشف يتفاعل مع هوائي DUT ، لكن سلوك المجال وجبهة الطور أقل قابلية للتنبؤ بهما ويعملان بشكل جيد. تتطلب القياسات في هذا المجال أيضًا الوصول إلى استعادة الطور في مساري الإرسال والاستقبال لخوارزمية التعويض.

الإشعاع FF هي منطقة يمكن فيها تقدير واجهة الطور بأنها مسطحة تقريبًا. هذه المنطقة مناسبة جدًا لقياس الطور والسعة ، لكن العيب هو أن خسارة المسير كبيرة ، والمسافة بين DUT وهوائي المسبار كبيرة (أحيانًا تكون ضخمة جدًا).

إذن ، ما هي الاعتبارات الرئيسية للمهندسين لتحديد إعدادات قياس OTA؟

طول المدى: المسافة بين المسبار و DUT

يجب تحسين طول النطاق للحصول على نتائج قياس ثابتة ودقيقة. كما ذكر أعلاه ، إذا كنت بحاجة للقياس في FF ، فمن الأفضل الاحتفاظ بطول النطاق على مسافة أكبر من R = 2D2 / λ.

ولذلك فإن حجم الحجرة يتأثر بشكل مباشر بالطول الموجي (التردد) المعني وحجم هوائي الجهاز. على سبيل المثال، يبلغ نطاق المجال البعيد لهوائي 5 سم عند 28 جيجا هرتز حوالي 50 سم. ل 10 سم وحدة من نفس التردد، فإنه يحتاج إلى زيادته إلى 190 سم، وبالنسبة لجهاز 15 سم، فإنه يحتاج إلى زيادته إلى أكثر من 4 م (الشكل 2).
　

الشكل 2. طول المدى

DUT: خصائص الجهاز في إعداد اختبار mmWave OTA

تتراوح DUT من العنصر المشع إلى الجهاز بأكمله. في الهاتف المحمول ، ستقوم DUT بإنشاء "D" (جهاز) ، والذي يتضمن الحجم الميكانيكي للهوائي والاقتران مع عنصر الإشعاع. حدد مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) ثلاثة تكوينات لهوائي DUT ، بما في ذلك (الشكل 3):

التكوين 1: تحتوي DUT على لوحة هوائي واحدة على الأكثر ، وتساوي الفتحة القصوى 5 سم أو أقل في أي وقت.

التكوين 2: DUT له هوائي متعدد لوحات، الفتحة القصوى لكل لوحة هوائي تساوي أو تقل عن 5 سم ، ولكن في حالة عدم وجود تماسك ، فهذا يعني أنه يمكن معاملتها كلوحات مستقلة

التكوين 3: تحتوي DUT على لوحات هوائيات متعددة ، وهناك اتساق طور / اتساع بين هذه اللوحات ، مما يعني أنه لا يمكن اعتبارها لوحات مستقلة ويجب أن تحيطها كلها بالحرف "D".
　　

الشكل 3 ، تكوينات مختلفة هوائي DUT

اختبار الصندوق الأسود

اختبار الصندوق الأسود هو مفهوم اختبار توافق الجهاز المحدد بواسطة 3GPP. يجب أن يعتبر المهندسون موقع وعدد الهوائيات غير معروفين ، ويتم اختبار DUT على أنه "صندوق أسود" ، ويجب أن يفترضوا أن فتحة الهوائي (D) هي نفس حجم DUT بالكامل ، لذلك ، فإن تكوين الجهاز له تأثير على طول النطاق المطلوب لقياس FF (الشكل 4).
　

الشكل 4. اختبار الصندوق الأسود

منطقة هادئة

تشير المنطقة الهادئة إلى المنطقة التي يمكن فيها التنبؤ بانتشار الترددات الراديوية وتنفيذها بشكل جيد. هذا مهم جدًا للدقة والتكرار ، خاصةً لاختبار معلمات التردد اللاسلكي أو عند الحاجة إلى تغييرات في السعة المنخفضة والطور. يجب أن تكون المنطقة الهادئة كبيرة بما يكفي لاحتواء العناصر الرئيسية التي يتم اختبارها - سواء كان الجهاز بأكمله أو الهوائي. يحدد حجم الجهاز قيد الاختبار أو الهوائي متطلبات حجم المنطقة الهادئة. بالطبع ، كلما زادت المنطقة الهادئة المطلوبة ، زادت الغرفة المطلوبة (الشكل 5).
　

الشكل 5 رسم تخطيطي للمنطقة الهادئة

CATR: طريقة أخرى لاختبار DFF OTA

نطاق اختبار الهوائي المدمج (CATR) هو طريقة اختبار OTA للمجال البعيد غير المباشر (IFF). يستخدم CATR عاكسات مشكلة لإجراء التحويل المادي من المجال القريب إلى المجال البعيد. وينتج عن ذلك طول نطاق أقصر ومنطقة هادئة أكبر، وبالتالي وفقًا لحجم DUT معين، فإن حجم الفتحة والتردد يقللان من حجم الغرفة. يصبح الشعاع المنعكس من المرآة المكافئة شعاعًا موازيًا. وينتج عن هذا الانتقال من واجهة موجة كروية إلى واجهة موجة مستوية منطقة هادئة كبيرة ذات سعة صغيرة جدًا وتموجات طورية. المسافة الأقصر الناتجة تعني أيضًا أن فقدان المسار بين DUT والمسبار أصغر، بحيث يمكن الحصول على نطاق ديناميكي قياس أفضل ونسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل (SNR) (الشكل 6).
　

الشكل 6 نطاق اختبار الهوائي المضغوط (CATR)

5G تعني أن اختبار mmWave OTA أصبح مطلبًا أكثر شيوعًا. هذه الأنواع من تحديات القياس هي بلا شك مجالات جديدة لمعظم الصناعات اللاسلكية التجارية. من المهم جدًا التعاون مع خبراء اختبار mmWave و OTA ، الذين شاركوا أيضًا في مواصفات 3GPP لاكتساب المعرفة المبكرة وتأثير الطلب. لعقود من الزمان ، توفر Keysight وظائف اختبار mmWave التجارية وأنشأت سلسلة حلول اختبار mmWave OTA الرائدة في العالم.