"Antes de 5G, la mayoría de las pruebas de dispositivos inalámbricos se realizaban mediante el método de cable. Esto incluye probar conjuntos de chips de módem, pruebas de parámetros de radiofrecuencia (RF) y verificación completa del funcionamiento y el rendimiento del dispositivo. Los métodos de prueba por aire (OTA) se utilizan principalmente para pruebas de rendimiento de antenas y medición de rendimiento de dispositivos de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO). Los dispositivos de onda milimétrica 5G (mmWave) representan un cambio disruptivo en la industria inalámbrica, porque OTA es el único método de prueba factible para todos los casos de prueba de radio.
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Antes de 5G, la mayoría de las pruebas de dispositivos inalámbricos se realizaban mediante el método de cable. Esto incluye probar conjuntos de chips de módem, pruebas de parámetros de radiofrecuencia (RF) y verificación completa del funcionamiento y el rendimiento del dispositivo. Los métodos de prueba por aire (OTA) se utilizan principalmente para pruebas de rendimiento de antenas y medición de rendimiento de dispositivos de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO). Los dispositivos de onda milimétrica 5G (mmWave) representan un cambio disruptivo en la industria inalámbrica, porque OTA es el único método de prueba factible para todos los casos de prueba de radio.
A frecuencias de ondas milimétricas, una mayor pérdida de trayectoria y longitudes de onda más cortas requieren una antena direccional controlable (ganancia), generalmente una antena de matriz en fase. Además de las antenas monopolares tradicionales LTE y de rango de frecuencia 1 (FR1), muchos dispositivos 5G también requieren varios conjuntos de antenas mmWave. Dado que la antena mmWave debe estar conectada directamente al amplificador de interfaz de RF (RFFE), es imposible acceder y probar el equipo en una forma de frecuencia más baja, y se requieren métodos de prueba de radiación.
Los métodos de prueba de RF realizados tradicionales utilizan cables coaxiales de alto rendimiento entre la solución de medición y el dispositivo bajo prueba (DUT). OTA reemplaza este cable con un enlace aéreo a través del cual el DUT se comunica directamente con la antena que es parte de la solución de prueba. Para garantizar un buen entorno de RF (es decir, probar las líneas de transmisión y eliminar las interferencias externas), las conexiones OTA se gestionan mejor dentro de la habitación oscura.
Por lo tanto, las soluciones típicas de medición de OTA incluyen equipos de medición de RF y cuartos oscuros. El cuarto oscuro tiene varios básicos componentes:
La carcasa en sí tiene un aislamiento de RF adecuado y un blindaje interno, lo que puede minimizar el reflejo interno de la señal.
La antena de medición o antena de "sonda" proporciona el enlace principal de medición de RF para el dispositivo bajo prueba.
El localizador puede cambiar la dirección o posición del dispositivo bajo prueba
Software para controlar posicionadores y equipos de medida.
Al elegir la configuración correcta para la medición deseada, el ingeniero debe considerar varios factores. Pero primero, una revisión rápida de las reglas generales relevantes para los campos electromagnéticos.
Comencemos con la transmisión de ondas.
Figura 1. Diferencia entre campo cercano reactivo (NF reactivo), campo cercano radiado (NF radiado) y campo lejano radiado (FF radiado)
A medida que aumenta la distancia de la antena, el comportamiento y las características del campo electromagnético cambiarán. El modelo simplificado anterior muestra tres áreas de interés: campo cercano reactivo (NF reactivo), campo cercano radiado (NF radiado) y campo lejano radiado (FF radiado). Al realizar mediciones OTA, se deben considerar las características de cada área y se debe considerar la distancia entre el DUT y la antena de la sonda. Por ejemplo, la medición en NF requiere un software de conversión de campo cercano a campo lejano (NF-FF), que requiere recuperación de fase o control de la fase de entrada al DUT. En esta figura, R es la distancia radial desde la antena, D es el diámetro de la esfera más pequeña que puede rodear la apertura de la antena radiante y λ es la longitud de onda (Figura 1).
La reacción NF es el área más cercana a la antena DUT. No solo el campo evanescente que no se propaga domina en esta área, sino que la antena de detección en esta área también reaccionará con la antena DUT y se convertirá efectivamente en parte del dispositivo radiante DUT. El tipo de medición realizada impone restricciones importantes.
La NF radiada es el área donde la antena de detección ya no reacciona con la antena DUT, pero el comportamiento del campo y el frente de fase son menos predecibles y funcionan bien. Las mediciones en esta área también requieren acceso a la recuperación de fase en las rutas de transmisión y recepción del algoritmo de compensación.
La radiación FF es un área donde se puede estimar que el frente de fase es aproximadamente plano. Esta área es muy adecuada para medir la fase y la amplitud, pero la desventaja es que la pérdida de trayectoria es grande y la distancia entre el dispositivo bajo prueba y la antena de la sonda es grande (a veces incluso abultada).
Entonces, ¿cuáles son las consideraciones clave para que los ingenieros definan los ajustes de medición de OTA?
Longitud del rango: la distancia entre la sonda y el dispositivo bajo prueba
La longitud del rango debe optimizarse para obtener resultados de medición estables y precisos. Como se mencionó anteriormente, si necesita medir en FF, es mejor mantener la longitud del rango a una distancia mayor que R = 2D2 / λ.
Por tanto, el tamaño de la cámara se ve directamente afectado por la longitud de onda (frecuencia) en cuestión y el tamaño de la antena del dispositivo. Por ejemplo, el alcance de campo lejano de una antena de 5 cm a 28 GHz es de unos 50 cm. Para 10 cm módulo para la misma frecuencia, es necesario aumentarlo a 190 cm, y para un dispositivo de 15 cm, es necesario aumentarlo a más de 4 m (Figura 2).
Figura 2. Longitud del rango
DUT: características del dispositivo en configuración de prueba mmWave OTA
El dispositivo bajo prueba abarca desde el elemento radiante hasta todo el dispositivo. En un teléfono móvil, el DUT creará una "D" (Dispositivo), que incluye el tamaño mecánico de la antena y el acoplamiento con el elemento radiante. El Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) ha definido tres configuraciones de antena DUT, que incluyen (Figura 3):
Configuración 1: DUT tiene como máximo un panel de antena y la apertura máxima es igual o menor a 5 cm en cualquier momento.
Configuración 2: DUT tiene múltiples antenas paneles, la apertura máxima de cada panel de antena es igual o menor a 5 cm, pero en ausencia de coherencia, esto significa que pueden tratarse como paneles independientes
Configuración 3: El dispositivo bajo prueba tiene varios paneles de antena y hay coherencia de fase / amplitud entre estos paneles, lo que significa que no pueden considerarse paneles independientes y “D” debe encerrarlos a todos.
Figura 3, diferentes configuraciones de la antena DUT
Prueba de caja negra
La prueba de caja negra es un concepto de prueba de conformidad de dispositivo especificado por 3GPP. Los ingenieros deben considerar la ubicación y el número de antenas como desconocidos, el DUT se prueba como una "caja negra" y deben asumir que la apertura de la antena (D) es el mismo que el tamaño de todo el DUT Por lo tanto, la configuración del dispositivo tiene un impacto en la longitud de rango requerida para la medición de FF (Figura 4).
Figura 4. Prueba de caja negra
Zona tranquila
La zona tranquila se refiere al área donde se puede predecir y realizar bien la propagación de RF. Esto es muy importante para la precisión y la repetibilidad, especialmente para la prueba de parámetros de RF o cuando se requieren cambios de fase y amplitud baja. El área silenciosa debe ser lo suficientemente grande para contener los elementos clave que se están probando, ya sea el dispositivo completo o la antena. El tamaño del dispositivo bajo prueba o la antena determina los requisitos para el tamaño de la zona silenciosa. Por supuesto, cuanto mayor sea la zona silenciosa requerida, mayor será la cámara requerida (Figura 5).
Figura 5, diagrama esquemático de la zona tranquila.
CATR: otro método de prueba DFF OTA
El rango de prueba de antena compacta (CATR) es un método de prueba OTA de campo lejano indirecto (IFF). CATR utiliza reflectores con forma para realizar la transformación física de campo cercano a campo lejano. Esto da como resultado una longitud de rango más corta y una zona silenciosa más grande, por lo que, de acuerdo con un tamaño de DUT dado, el tamaño de apertura y la frecuencia reducen el tamaño de la cámara. El rayo reflejado por el espejo parabólico se convierte en un rayo colimado. Esta transición de un frente de onda esférico a un frente de onda plano da como resultado una gran zona tranquila con ondas de amplitud y fase muy pequeñas. La distancia más corta resultante también significa que la pérdida de trayectoria entre el dispositivo bajo prueba y la sonda es menor, de modo que se puede obtener un mejor rango dinámico de medición y una mejor relación señal / ruido (SNR) (Figura 6).
Figura 6 Rango de prueba de antena compacta (CATR)
5G significa que las pruebas mmWave OTA se están convirtiendo en un requisito más generalizado. Este tipo de desafíos de medición son, sin duda, áreas nuevas para la mayoría de las industrias inalámbricas comerciales. Es muy importante cooperar con los expertos en pruebas de mmWave y OTA, que también han participado en las especificaciones 3GPP para obtener un conocimiento temprano y el impacto de la demanda. Durante décadas, Keysight ha proporcionado funciones de prueba de ondas milimétricas comerciales y ha establecido la serie de soluciones de prueba OTA de ondas milimétricas líder en el mundo.
Los enlaces: LM150X08-TL06 LM215WF3-S2L4