"Vor 5G wurden die meisten Tests von drahtlosen Geräten mit der Drahtmethode durchgeführt. Dazu gehören das Testen von Modem-Chipsätzen, das Testen von Radiofrequenz-(RF)-Parametern und die vollständige Überprüfung der Gerätefunktion und -leistung. Over-the-Air (OTA)-Testmethoden werden hauptsächlich für Antennenleistungstests und Geräte-Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Leistungsmessungen verwendet. 5G-Millimeterwellen-(mmWave-)Geräte stellen einen disruptiven Wandel in der Mobilfunkbranche dar, da OTA die einzig praktikable Testmethode für alle Funktestfälle ist.
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Vor 5G wurden die meisten Tests von drahtlosen Geräten mit der Drahtmethode durchgeführt. Dazu gehören das Testen von Modem-Chipsätzen, das Testen von Radiofrequenz-(RF)-Parametern und die vollständige Überprüfung der Gerätefunktion und -leistung. Over-the-Air (OTA)-Testmethoden werden hauptsächlich für Antennenleistungstests und Geräte-Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Leistungsmessungen verwendet. 5G-Millimeterwellen-(mmWave-)Geräte stellen einen disruptiven Wandel in der Mobilfunkbranche dar, da OTA die einzig praktikable Testmethode für alle Funktestfälle ist.
Bei mmWave-Frequenzen erfordern höhere Pfadverluste und kürzere Wellenlängen eine steuerbare Richtantenne (Verstärkung) – normalerweise eine Phased-Array-Antenne. Zusätzlich zu den herkömmlichen Monopolantennen für LTE und Frequenzbereich 1 (FR1) erfordern viele 5G-Geräte auch mehrere Sätze von mmWave-Antennen. Da die mmWave-Antenne direkt an den HF-Front-End-Verstärker (RFFE) angeschlossen werden muss, ist es unmöglich, auf die Geräte mit einer niedrigeren Frequenz zuzugreifen und sie zu testen, und es sind Strahlungsprüfmethoden erforderlich.
Herkömmliche leitungsgebundene HF-Testmethoden verwenden Hochleistungs-Koaxialkabel zwischen der Messlösung und dem Prüfling (DUT). OTA ersetzt dieses Kabel durch eine Luftverbindung, über die das DUT direkt mit der Antenne kommuniziert, die Teil der Testlösung ist. Um eine gute HF-Umgebung zu gewährleisten (d. h. Übertragungsleitungen testen und externe Störungen beseitigen), werden OTA-Verbindungen am besten in der Dunkelkammer verwaltet.
Daher umfassen typische OTA-Messlösungen HF-Messgeräte und Dunkelkammern. Die Dunkelkammer hat mehrere grundlegende Komponenten:
Das Gehäuse selbst verfügt über eine ordnungsgemäße HF-Isolation und eine interne Abschirmung, die die interne Reflexion des Signals minimieren kann
Die Messantenne oder „Probe“-Antenne stellt die wichtigste HF-Messverbindung für das DUT dar
Der Locator kann die Richtung oder Position des DUT ändern
Software zur Steuerung von Stellungsreglern und Messgeräten.
Bei der Auswahl der richtigen Einstellungen für die gewünschte Messung muss der Ingenieur mehrere Faktoren berücksichtigen. Doch zunächst ein kurzer Überblick über die einschlägigen Faustregeln für elektromagnetische Felder.
Beginnen wir mit der Wellenübertragung
Abbildung 1. Der Unterschied zwischen reaktivem Nahfeld (reaktiver NF), abgestrahltem Nahfeld (abgestrahlter NF) und abgestrahltem Fernfeld (abgestrahlter FF)
Mit zunehmender Entfernung der Antenne ändern sich das Verhalten und die Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes. Das obige vereinfachte Modell zeigt drei interessante Bereiche: reaktives Nahfeld (reaktives NF), abgestrahltes Nahfeld (abgestrahltes NF) und abgestrahltes Fernfeld (abgestrahltes FF). Bei der Durchführung von OTA-Messungen müssen die Eigenschaften jedes Bereichs und der Abstand zwischen dem DUT und der Sondenantenne berücksichtigt werden. Zum Beispiel erfordert das Messen in NF eine Nahfeld-Fernfeld-Umwandlungs-(NF-FF)-Software, die eine Phasenwiederherstellung oder eine Steuerung der Eingangsphase des DUT erfordert. In dieser Abbildung ist R der radiale Abstand von der Antenne, D der Durchmesser der kleinsten Kugel, die die Apertur der strahlenden Antenne umgeben kann, und λ ist die Wellenlänge (Abbildung 1).
Die Reaktions-NF ist der Bereich, der der DUT-Antenne am nächsten ist. In diesem Bereich dominiert nicht nur das sich nicht ausbreitende evaneszente Feld, sondern die Detektionsantenne in diesem Bereich reagiert auch mit der DUT-Antenne und wird effektiv ein Teil der DUT-Strahlungsvorrichtung. Die Art der durchgeführten Messung unterliegt erheblichen Einschränkungen.
Die abgestrahlte NF ist der Bereich, in dem die Detektionsantenne nicht mehr mit der DUT-Antenne reagiert, das Feldverhalten und die Phasenfront jedoch weniger vorhersehbar sind und gut funktionieren. Messungen in diesem Bereich erfordern auch den Zugriff auf Phasenrückgewinnung in den Sende- und Empfangspfaden des Kompensationsalgorithmus.
Strahlungs-FF ist ein Bereich, in dem die Phasenfront als ungefähr flach abgeschätzt werden kann. Dieser Bereich eignet sich sehr gut zum Messen von Phase und Amplitude, hat jedoch den Nachteil, dass die Pfaddämpfung groß ist und der Abstand zwischen dem DUT und der Sondenantenne groß (manchmal sogar sperrig) ist.
Was sind also die wichtigsten Überlegungen für Ingenieure, um OTA-Messeinstellungen zu definieren?
Bereichslänge: der Abstand zwischen Sonde und DUT
Die Bereichslänge muss optimiert werden, um stabile und genaue Messergebnisse zu erhalten. Wenn Sie, wie oben erwähnt, in FF messen müssen, sollte die Bereichslänge am besten in einem Abstand größer als R = 2D2/λ gehalten werden.
Daher wird die Größe der Kammer direkt von der jeweiligen Wellenlänge (Frequenz) und der Größe der Geräteantenne beeinflusst. Beispielsweise beträgt die Fernfeldreichweite einer 5-cm-Antenne bei 28 GHz etwa 50 cm. Für 10 cm Modulen Bei gleicher Frequenz muss sie auf 190 cm und bei einem 15-cm-Gerät auf mehr als 4 m erhöht werden (Abbildung 2).
Abbildung 2. Bereichslänge
DUT: Geräteeigenschaften im mmWave-OTA-Testaufbau
Der Prüfling reicht vom Strahler bis zum gesamten Gerät. In einem Mobiltelefon erzeugt das DUT ein „D“ (Device), das die mechanische Größe der Antenne und die Kopplung mit dem strahlenden Element umfasst. Das Third Generation Partnership Project (3GPP) hat drei DUT-Antennenkonfigurationen definiert, darunter (Abbildung 3):
Konfiguration 1: DUT hat höchstens ein Antennenpanel und die maximale Apertur beträgt zu jeder Zeit 5 cm oder weniger.
Konfiguration 2: DUT hat mehrere Antennen Platten, die maximale Apertur jedes Antennenpanels ist kleiner oder gleich 5 cm, aber in Ermangelung von Kohärenz bedeutet dies, dass sie als unabhängige Panels behandelt werden können
Konfiguration 3: DUT hat mehrere Antennenpanels, und zwischen diesen Panels besteht Phasen-/Amplitudenkohärenz, was bedeutet, dass sie nicht als unabhängige Panels betrachtet werden können und „D“ sie alle einschließen muss.
Abbildung 3, verschiedene Konfigurationen der DUT-Antenne
Black-Box-Test
Black-Box-Tests ist ein von 3GPP spezifiziertes Testkonzept für die Gerätekonformität. Ingenieure müssen Standort und Anzahl der Antennen als unbekannt betrachten, DUT wird als „Black Box“ getestet und muss davon ausgehen, dass die Apertur der Antenne (D) der Größe des gesamten DUT entspricht einen Einfluss auf die für die FF-Messung erforderliche Bereichslänge (Abbildung 4).
Abbildung 4. Black-Box-Test
Ruhezone
Die Ruhezone bezieht sich auf den Bereich, in dem die HF-Ausbreitung vorhergesagt und gut durchgeführt werden kann. Dies ist sehr wichtig für Genauigkeit und Wiederholbarkeit, insbesondere beim Testen von HF-Parametern oder wenn geringe Amplituden- und Phasenänderungen erforderlich sind. Der Ruhebereich muss groß genug sein, um die wichtigsten zu testenden Elemente aufzunehmen – sei es das gesamte Gerät oder die Antenne. Die Größe des Prüflings bzw. der Antenne bestimmt die Anforderungen an die Größe der Ruhezone. Je größer die erforderliche Ruhezone ist, desto größer ist natürlich die erforderliche Kammer (Abbildung 5).
Abbildung 5, schematische Darstellung der Ruhezone
CATR: Eine andere Methode des DFF-OTA-Tests
Der Compact Antenna Test Range (CATR) ist ein indirektes Fernfeld (IFF) OTA-Testverfahren. CATR verwendet geformte Reflektoren, um die physikalische Nahfeld-Fernfeld-Transformation durchzuführen. Dies führt zu einer kürzeren Reichweitenlänge und einer größeren Ruhezone, so dass entsprechend einer gegebenen DUT-Größe, Aperturgröße und Frequenz die Größe der Kammer verringert wird. Der vom Parabolspiegel reflektierte Strahl wird zu einem kollimierten Strahl. Dieser Übergang von einer sphärischen Wellenfront zu einer ebenen Wellenfront führt zu einer großen Ruhezone mit sehr kleinen Amplituden- und Phasenwelligkeiten. Der daraus resultierende kürzere Abstand bedeutet auch, dass die Pfaddämpfung zwischen dem DUT und der Sonde geringer ist, sodass eine bessere Messdynamik und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erzielt werden können (Abbildung 6).
Abbildung 6 Kompaktantennen-Testbereich (CATR)
5G bedeutet, dass mmWave-OTA-Tests zu einer Mainstream-Anforderung werden. Diese Art von Messherausforderungen sind zweifellos neue Bereiche für die meisten kommerziellen drahtlosen Industrien. Es ist sehr wichtig, mit mmWave- und OTA-Testexperten zusammenzuarbeiten, die auch an den 3GPP-Spezifikationen teilgenommen haben, um frühzeitig Erkenntnisse zu gewinnen und Auswirkungen auf die Nachfrage zu erzielen. Keysight bietet seit Jahrzehnten kommerzielle mmWave-Testfunktionen und hat die weltweit führende mmWave-OTA-Testlösungsserie etabliert.
Die Links: LM150X08-TL06 LM215WF3-S2L4