"Prima del 5G, la maggior parte dei test sui dispositivi wireless veniva eseguita utilizzando il metodo del cavo. Ciò include il test dei chipset del modem, il test dei parametri della radiofrequenza (RF) e la verifica completa delle funzioni e delle prestazioni del dispositivo. I metodi di test over-the-air (OTA) vengono utilizzati principalmente per i test delle prestazioni dell'antenna e per la misurazione delle prestazioni MIMO (Multiple Input Multiple Output) del dispositivo. I dispositivi 5G a onde millimetriche (mmWave) rappresentano un cambiamento dirompente nel settore wireless, perché l'OTA è l'unico metodo di test fattibile per tutti i casi di test radio.
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Prima del 5G, la maggior parte dei test sui dispositivi wireless veniva eseguita utilizzando il metodo del cavo. Ciò include il test dei chipset del modem, il test dei parametri della radiofrequenza (RF) e la verifica completa delle funzioni e delle prestazioni del dispositivo. I metodi di test over-the-air (OTA) vengono utilizzati principalmente per i test delle prestazioni dell'antenna e per la misurazione delle prestazioni MIMO (Multiple Input Multiple Output) del dispositivo. I dispositivi 5G a onde millimetriche (mmWave) rappresentano un cambiamento dirompente nel settore wireless, perché l'OTA è l'unico metodo di test fattibile per tutti i casi di test radio.
Alle frequenze mmWave, una maggiore perdita di percorso e lunghezze d'onda più corte richiedono un'antenna direzionale (guadagno) controllabile, di solito un'antenna phased array. Oltre alle tradizionali antenne unipolari LTE e Gamma di frequenza 1 (FR1), molti dispositivi 5G richiedono anche più set di antenne mmWave. Poiché l'antenna mmWave deve essere collegata direttamente all'amplificatore RF front-end (RFFE), è impossibile accedere e testare l'apparecchiatura in un modo a frequenza inferiore e sono necessari metodi di test delle radiazioni.
I metodi tradizionali di test RF condotti utilizzano cavi coassiali ad alte prestazioni tra la soluzione di misurazione e il dispositivo in prova (DUT). L'OTA sostituisce questo cavo con un collegamento aereo attraverso il quale il DUT comunica direttamente con l'antenna che fa parte della soluzione di prova. Per garantire un buon ambiente RF (ovvero testare le linee di trasmissione ed eliminare le interferenze esterne), le connessioni OTA vengono gestite al meglio all'interno della camera oscura.
Pertanto, le tipiche soluzioni di misurazione OTA includono apparecchiature di misurazione RF e camere oscure. La camera oscura ha diverse basi componenti:
L'alloggiamento stesso ha un adeguato isolamento RF e schermatura interna, che può ridurre al minimo la riflessione interna del segnale
L'antenna di misurazione o antenna "sonda" fornisce il collegamento di misurazione RF principale per il DUT
Il localizzatore può cambiare la direzione o la posizione del DUT
Software per il controllo di posizionatori e strumenti di misura.
Quando si scelgono le impostazioni corrette per la misurazione desiderata, l'ingegnere deve considerare diversi fattori. Ma prima, una rapida rassegna delle regole pratiche relative ai campi elettromagnetici.
Iniziamo con la trasmissione dell'onda
Figura 1. La differenza tra campo vicino reattivo (NF reattivo), campo vicino irradiato (NF irradiato) e campo lontano irradiato (FF irradiato)
All'aumentare della distanza dell'antenna, il comportamento e le caratteristiche del campo elettromagnetico cambieranno. Il modello semplificato sopra mostra tre aree di interesse: campo vicino reattivo (NF reattivo), campo vicino irradiato (NF irradiato) e campo lontano irradiato (FF irradiato). Quando si eseguono misurazioni OTA, devono essere considerate le caratteristiche di ciascuna area e deve essere considerata la distanza tra il DUT e l'antenna della sonda. Ad esempio, la misurazione in NF richiede un software di conversione da campo vicino a campo lontano (NF-FF), che richiede il ripristino della fase o il controllo della fase di ingresso al DUT. In questa figura, R è la distanza radiale dall'antenna, D è il diametro della sfera più piccola che può circondare l'apertura dell'antenna radiante e è la lunghezza d'onda (Figura 1).
La reazione NF è l'area più vicina all'antenna DUT. Non solo il campo evanescente non propagante domina in quest'area, ma l'antenna di rilevamento in quest'area reagirà anche con l'antenna DUT e diventerà effettivamente una parte del dispositivo radiante DUT. Il tipo di misurazione eseguita impone restrizioni significative.
L'NF irradiato è l'area in cui l'antenna di rilevamento non reagisce più con l'antenna DUT, ma il comportamento del campo e il fronte di fase sono meno prevedibili e funzionano bene. Le misurazioni in quest'area richiedono anche l'accesso al ripristino di fase nei percorsi di trasmissione e ricezione dell'algoritmo di compensazione.
La radiazione FF è un'area in cui il fronte di fase può essere stimato approssimativamente piatto. Quest'area è molto adatta per misurare la fase e l'ampiezza, ma lo svantaggio è che la perdita di percorso è grande e la distanza tra il DUT e l'antenna della sonda è grande (a volte anche ingombrante).
Quindi, quali sono le considerazioni chiave per gli ingegneri per definire le impostazioni di misurazione OTA?
Lunghezza dell'intervallo: la distanza tra la sonda e il DUT
La lunghezza dell'intervallo deve essere ottimizzata per ottenere risultati di misurazione stabili e precisi. Come accennato in precedenza, se è necessario misurare in FF, è meglio mantenere la lunghezza dell'intervallo a una distanza maggiore di R = 2D2/λ.
Pertanto, la dimensione della camera è direttamente influenzata dalla lunghezza d'onda (frequenza) in questione e dalla dimensione dell'antenna del dispositivo. Ad esempio, la portata del campo lontano di un'antenna da 5 cm a 28 GHz è di circa 50 cm. Per un 10 cm modulo della stessa frequenza, deve essere aumentata a 190 cm e, per un dispositivo da 15 cm, deve essere aumentata a più di 4 m (Figura 2).
Figura 2. Lunghezza dell'intervallo
DUT: caratteristiche del dispositivo nella configurazione del test mmWave OTA
Il DUT va dall'elemento radiante all'intero dispositivo. In un telefono cellulare, il DUT creerà una "D" (Dispositivo), che include la dimensione meccanica dell'antenna e l'accoppiamento con l'elemento radiante. Il progetto di partenariato di terza generazione (3GPP) ha definito tre configurazioni di antenne DUT, tra cui (Figura 3):
Configurazione 1: DUT ha al massimo un pannello dell'antenna e l'apertura massima è uguale o inferiore a 5 cm in qualsiasi momento.
Configurazione 2: DUT ha più antenne pannelli, l'apertura massima di ciascun pannello antenna è uguale o inferiore a 5 cm, ma in assenza di coerenza, ciò significa che possono essere trattati come pannelli indipendenti
Configurazione 3: DUT ha più pannelli di antenna e c'è coerenza di fase/ampiezza tra questi pannelli, il che significa che non possono essere considerati pannelli indipendenti e "D" deve racchiuderli tutti.
Figura 3, diverse configurazioni dell'antenna DUT
Test della scatola nera
Il test della scatola nera è un concetto di test di conformità del dispositivo specificato da 3GPP. Gli ingegneri devono considerare la posizione e il numero di antenne come sconosciuti, il DUT viene testato come una "scatola nera" e deve presumere che l'apertura dell'antenna (D) sia uguale alla dimensione dell'intero DUT Pertanto, la configurazione del dispositivo ha un impatto sulla lunghezza dell'intervallo richiesta per la misurazione FF (Figura 4).
Figura 4. Test della scatola nera
Zona tranquilla
La zona tranquilla si riferisce all'area in cui la propagazione RF può essere prevista ed eseguita correttamente. Questo è molto importante per l'accuratezza e la ripetibilità, specialmente per il test dei parametri RF o quando sono richieste basse variazioni di ampiezza e fase. L'area tranquilla deve essere abbastanza grande da contenere gli elementi chiave da testare, che si tratti dell'intero dispositivo o dell'antenna. La dimensione del dispositivo in prova o dell'antenna determina i requisiti per la dimensione della zona tranquilla. Naturalmente, maggiore è la zona di silenzio richiesta, più grande è la camera richiesta (Figura 5).
Figura 5, un diagramma schematico della zona tranquilla
CATR: un altro metodo di test DFF OTA
Il campo di prova dell'antenna compatta (CATR) è un metodo di prova OTA indiretto a campo lontano (IFF). CATR utilizza riflettori sagomati per eseguire la trasformazione fisica da campo vicino a campo lontano. Ciò si traduce in una lunghezza della gamma più breve e una zona di silenzio più ampia, quindi in base a una data dimensione del DUT, la dimensione dell'apertura e la frequenza riducono le dimensioni della camera. Il raggio riflesso dallo specchio parabolico diventa un raggio collimato. Questa transizione da un fronte d'onda sferico a un fronte d'onda piano si traduce in un'ampia zona tranquilla con ampiezza e increspature di fase molto piccole. La distanza più breve risultante significa anche che la perdita di percorso tra il DUT e la sonda è minore, in modo da ottenere un migliore intervallo dinamico di misurazione e un migliore rapporto segnale-rumore (SNR) (Figura 6).
Figura 6 Gamma di prova dell'antenna compatta (CATR)
5G significa che i test OTA di mmWave stanno diventando un requisito sempre più diffuso. Questi tipi di sfide di misurazione sono senza dubbio nuove aree per la maggior parte delle industrie wireless commerciali. È molto importante collaborare con mmWave e gli esperti di test OTA, che hanno anche partecipato alle specifiche 3GPP per acquisire conoscenze precoci e ottenere un impatto sulla domanda. Per decenni, Keysight ha fornito funzioni di test mmWave commerciali e ha creato la serie di soluzioni di test OTA mmWave leader a livello mondiale.
I Link: LM150X08-TL06 LM215WF3-S2L4