מושגי מפתח והגדרות של בדיקת OTA גלי 5G מילימטר

"לפני 5G, רוב בדיקות המכשירים האלחוטיים נעשו בשיטת החוט. זה כולל בדיקת ערכות שבבים של מודם, בדיקת פרמטרים בתדר רדיו (RF) ואימות מלא של תפקוד המכשיר וביצועים. שיטות בדיקה באוויר (OTA) משמשות בעיקר לבדיקת ביצועי אנטנה ולמדידת ביצועים של מספר כניסות מרובות (MIMO). התקני גל מילימטר 5G (mmWave) מייצגים שינוי משבש בתעשיית האלחוט, מכיוון ש-OTA היא שיטת הבדיקה היחידה האפשרית לכל מקרי בדיקת הרדיו.

"

לפני 5G, רוב בדיקות המכשירים האלחוטיים נעשו בשיטת החוט. זה כולל בדיקת ערכות שבבים של מודם, בדיקת פרמטרים בתדר רדיו (RF) ואימות מלא של תפקוד המכשיר וביצועים. שיטות בדיקה באוויר (OTA) משמשות בעיקר לבדיקת ביצועי אנטנה ולמדידת ביצועים של מספר כניסות מרובות (MIMO). התקני גל מילימטר 5G (mmWave) מייצגים שינוי משבש בתעשיית האלחוט, מכיוון ש-OTA היא שיטת הבדיקה היחידה האפשרית לכל מקרי בדיקת הרדיו.

בתדרי mmWave, אובדן נתיב גבוה יותר ואורכי גל קצרים יותר דורשים אנטנה כיוונית (רווח) ניתנת לשליטה - בדרך כלל אנטנת מערך פאזית. בנוסף לאנטנות המונופוליות המסורתיות של LTE וטווח תדר 1 (FR1), התקני 5G רבים דורשים גם סטים מרובים של אנטנות mmWave. מכיוון שאנטנת mmWave חייבת להיות מחוברת ישירות למגבר RF Front-end (RFFE), אי אפשר לגשת ולבדוק את הציוד בתדר נמוך יותר, ונדרשות שיטות בדיקת קרינה.

שיטות בדיקת RF מסורתיות משתמשות בכבלים קואקסיאליים בעלי ביצועים גבוהים בין פתרון המדידה למכשיר הנבדק (DUT). OTA מחליף כבל זה בקישור אוויר שדרכו ה-DUT מתקשר ישירות עם האנטנה שהיא חלק מפתרון הבדיקה. על מנת להבטיח סביבת RF טובה (כלומר לבדוק קווי תמסורת ולמנוע הפרעות חיצוניות), חיבורי OTA מנוהלים בצורה הטובה ביותר בתוך החדר החשוך.

לכן, פתרונות מדידה טיפוסיים של OTA כוללים ציוד למדידת RF וחדרי חושך. בחדר החושך יש כמה בסיסים רכיבים:

לבית עצמו יש בידוד RF מתאים ומיגון פנימי, שיכולים למזער את ההשתקפות הפנימית של האות

אנטנת המדידה או אנטנת "הבדיקה" מספקת את הקישור הראשי למדידת RF עבור ה-DUT

האיתור יכול לשנות את הכיוון או המיקום של ה-DUT

תוכנה לשליטה במנחים וציוד מדידה.

בעת בחירת ההגדרות הנכונות למדידה הרצויה, המהנדס צריך לקחת בחשבון מספר גורמים. אבל ראשית, סקירה מהירה של כללי האצבע הרלוונטיים לשדות אלקטרומגנטיים.

נתחיל עם שידור גלים
　

איור 1. ההבדל בין שדה קרוב תגובתי (NF תגובתי), שדה קרוב מוקרן (קרני NF) ושדה רחוק מוקרן (FF מוקרן)

ככל שמרחק האנטנה יגדל, ההתנהגות והמאפיינים של השדה האלקטרומגנטי ישתנו. המודל הפשוט למעלה מציג שלושה תחומי עניין: שדה קרוב תגובתי (NF תגובתי), שדה קרוב מוקרן (NF מוקרן) ושדה רחוק מוקרן (FF מוקרן). בעת ביצוע מדידות OTA, יש להתחשב במאפיינים של כל אזור, ולהתייחס למרחק בין ה-DUT לבין אנטנת הבדיקה. לדוגמה, מדידה ב-NF דורשת תוכנת המרת שדה לשדה רחוק (NF-FF), הדורשת שחזור פאזה או שליטה בשלב הקלט ל-DUT. באיור זה, R הוא המרחק הרדיאלי מהאנטנה, D הוא קוטר הכדור הקטן ביותר שיכול להקיף את הצמצם של האנטנה המקרינה, ו-λ הוא אורך הגל (איור 1).

התגובה NF היא האזור הקרוב ביותר לאנטנת DUT. לא רק שהשדה הבלתי מתפשט שולט באזור זה, אלא שגם אנטנת הזיהוי באזור זה תגיב עם אנטנת ה-DUT ולמעשה תהפוך לחלק מהתקן המקרין DUT. סוג המדידה המבוצעת מטיל מגבלות משמעותיות.

ה-NF המוקרן הוא האזור שבו אנטנת הזיהוי כבר לא מגיבה עם אנטנת DUT, אבל התנהגות השדה וחזית הפאזה פחות צפויות ומתפקדות היטב. מדידות בתחום זה דורשות גם גישה לשחזור פאזה בנתיבי השידור והקבלה של אלגוריתם הפיצוי.

קרינה FF היא אזור שבו ניתן להעריך את חזית הפאזה שטוחה בקירוב. אזור זה מתאים מאוד למדידת פאזה ומשרעת, אך החיסרון הוא שאובדן הנתיב גדול, והמרחק בין ה-DUT לאנטנת הגשושית גדול (לעיתים אף מגושם).

אז מה הם השיקולים המרכזיים של מהנדסים להגדרת הגדרות מדידת OTA?

אורך טווח: המרחק בין הבדיקה ל-DUT

יש לבצע אופטימיזציה של אורך הטווח כדי לקבל תוצאות מדידה יציבות ומדויקות. כפי שהוזכר לעיל, אם אתה צריך למדוד ב-FF, אורך הטווח נשמר במרחק גדול מ-R = 2D2/λ.

לכן, גודל החדר מושפע ישירות מאורך הגל (תדר) המדובר ומגודל אנטנת המכשיר. לדוגמה, טווח השדה הרחוק של אנטנה של 5 ס"מ במהירות 28GHz הוא כ-50 ס"מ. עבור 10 ס"מ מודול מאותו תדירות, יש להגדיל אותו ל-190 ס"מ, ולמכשיר בגודל 15 ס"מ, יש להגדיל אותו ליותר מ-4 מ' (איור 2).
　

איור 2. אורך הטווח

DUT: מאפייני התקן בהגדרת מבחן mmWave OTA

ה-DUT נע בין האלמנט המקרין למכשיר כולו. בטלפון נייד, ה-DUT יצור "D" (Device), הכולל את הגודל המכני של האנטנה ואת הצימוד עם האלמנט המקרין. פרויקט השותפות של הדור השלישי (3GPP) הגדיר שלוש תצורות אנטנת DUT, כולל (איור 3):

תצורה 1: ל-DUT יש פאנל אנטנה אחד לכל היותר, והצמצם המרבי שווה או קטן מ-5 ס"מ בכל עת.

תצורה 2: ל-DUT יש מספר אנטנות פנלים, הצמצם המרבי של כל פאנל אנטנה שווה ל-5 ס"מ או פחות, אך בהיעדר קוהרנטיות, זה אומר שניתן להתייחס אליהם כאל פאנלים עצמאיים

תצורה 3: ל-DUT יש פאנלים מרובים של אנטנה, ויש קוהרנטיות פאזה/משרעת בין הפאנלים הללו, מה שאומר שלא ניתן להתייחס אליהם כלוחות עצמאיים ו"D" חייב להקיף את כולם.
　　

איור 3, אנטנת DUT תצורות שונות

בדיקת קופסא שחורה

בדיקת הקופסה השחורה היא תפיסה של בדיקת התאמה של מכשירים שצוינה על ידי 3GPP. המהנדסים חייבים להתייחס למיקום ומספר האנטנות כלא ידועים, ה-DUT נבדק כ"קופסה שחורה", ועליהם להניח שהצמצם של האנטנה (D) זהה לגודל ה-DUT כולו. לכן, לתצורת המכשיר יש השפעה על אורך הטווח הנדרש למדידת FF (איור 4).
　

איור 4. בדיקת קופסה שחורה

אזור שקט

אזור השקט מתייחס לאזור בו ניתן לחזות ולבצע היטב את התפשטות RF. זה חשוב מאוד לדיוק ולחזרות, במיוחד לבדיקת פרמטרי RF או כאשר נדרשים שינויי משרעת ופאזה נמוכים. האזור השקט צריך להיות גדול מספיק כדי להכיל את פריטי המפתח הנבדקים - בין אם זה המכשיר כולו או האנטנה. גודל המכשיר הנבדק או האנטנה קובעים את הדרישות לגודל האזור השקט. כמובן, ככל שהאזור השקט הנדרש גדול יותר, כך החדר הנדרש גדול יותר (איור 5).
　

איור 5, תרשים סכמטי של אזור השקט

CATR: שיטה נוספת לבדיקת DFF OTA

טווח בדיקת האנטנה הקומפקטית (CATR) הוא שיטת בדיקת OTA בשדה רחוק (IFF) עקיף. CATR משתמש במחזירי צורה כדי לבצע את השינוי הפיזי של שדה קרוב לשדה רחוק. זה מביא לטווח קצר יותר ואזור שקט גדול יותר, כך שלפי גודל DUT נתון, גודל הצמצם והתדר מקטינים את גודל החדר. הקרן המוחזרת מהמראה הפרבולית הופכת לאלומת קולימציה. מעבר זה מחזית גל כדורית לחזית גל מישורית מביא לאזור שקט גדול עם אמפליטודה ואדוות פאזה קטנות מאוד. המרחק הקצר יותר כתוצאה מכך אומר גם שאבדן הנתיב בין ה-DUT והגשש קטן יותר, כך שניתן לקבל טווח דינמי מדידה טוב יותר ויחס אות לרעש (SNR) טוב יותר (איור 6).
　

איור 6 טווח בדיקת אנטנה קומפקטית (CATR)

5G אומר שבדיקת mmWave OTA הופכת להיות דרישה מיינסטרימית יותר. סוגים אלה של אתגרי מדידה הם ללא ספק תחומים חדשים עבור רוב תעשיות האלחוט המסחריות. חשוב מאוד לשתף פעולה עם מומחי בדיקות mmWave ו- OTA, שהשתתפו גם במפרטי 3GPP כדי לקבל ידע מוקדם והשפעה על דרישה. במשך עשרות שנים, Keysight מספקת פונקציות מסחריות של בדיקת mmWave והקימה את סדרת פתרונות הבדיקות mmWave OTA המובילה בעולם.