"Antes do 5G, a maioria dos testes de dispositivos sem fio era feita usando o método com fio. Isso inclui o teste de chipsets de modem, teste de parâmetro de radiofrequência (RF) e função completa do dispositivo e verificação de desempenho. Os métodos de teste over-the-air (OTA) são usados principalmente para teste de desempenho de antena e medição de desempenho de dispositivo de múltiplas entradas e saídas múltiplas (MIMO). Dispositivos de onda milimétrica 5G (mmWave) representam uma mudança disruptiva na indústria sem fio, porque OTA é o único método de teste viável para todos os casos de teste de rádio.
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Antes do 5G, a maioria dos testes de dispositivos sem fio era feita usando o método com fio. Isso inclui o teste de chipsets de modem, teste de parâmetro de radiofrequência (RF) e função completa do dispositivo e verificação de desempenho. Os métodos de teste over-the-air (OTA) são usados principalmente para teste de desempenho de antena e medição de desempenho de dispositivo de múltiplas entradas e saídas múltiplas (MIMO). Dispositivos de onda milimétrica 5G (mmWave) representam uma mudança disruptiva na indústria sem fio, porque OTA é o único método de teste viável para todos os casos de teste de rádio.
Em frequências de mmWave, maior perda de caminho e comprimentos de onda mais curtos requerem uma antena direcional controlável (ganho) - normalmente uma antena phased array. Além das antenas monopolo LTE e faixa de frequência 1 (FR1) tradicionais, muitos dispositivos 5G também exigem vários conjuntos de antenas de onda mm. Uma vez que a antena mmWave deve ser conectada diretamente ao amplificador RF front-end (RFFE), é impossível acessar e testar o equipamento em uma frequência mais baixa, e métodos de teste de radiação são necessários.
Os métodos de teste de RF tradicionais conduzidos usam cabos coaxiais de alto desempenho entre a solução de medição e o dispositivo em teste (DUT). A OTA substitui esse cabo por um link aéreo por meio do qual o DUT se comunica diretamente com a antena que faz parte da solução de teste. Para garantir um bom ambiente de RF (ou seja, testar as linhas de transmissão e eliminar a interferência externa), as conexões OTA são mais bem gerenciadas dentro da sala escura.
Portanto, as soluções de medição OTA típicas incluem equipamentos de medição de RF e câmaras escuras. A câmara escura tem vários componentes:
A caixa em si tem isolamento de RF adequado e blindagem interna, o que pode minimizar a reflexão interna do sinal
A antena de medição ou antena de "sonda" fornece o link de medição de RF principal para o DUT
O localizador pode mudar a direção ou posição do DUT
Software para controle de posicionadores e equipamentos de medição.
Ao escolher as configurações corretas para a medição desejada, o engenheiro precisa considerar vários fatores. Mas, primeiro, uma rápida revisão das regras básicas relevantes para campos eletromagnéticos.
Vamos começar com a transmissão de ondas
Figura 1. A diferença entre campo próximo reativo (NF reativo), campo próximo irradiado (NF irradiado) e campo distante irradiado (FF irradiado)
Conforme a distância da antena aumenta, o comportamento e as características do campo eletromagnético mudam. O modelo simplificado acima mostra três áreas de interesse: campo próximo reativo (NF reativo), campo próximo irradiado (NF irradiado) e campo distante irradiado (FF irradiado). Ao realizar medições OTA, as características de cada área devem ser consideradas, e a distância entre o DUT e a antena da sonda deve ser considerada. Por exemplo, a medição em NF requer software de conversão de campo próximo para campo distante (NF-FF), que requer recuperação de fase ou controle da fase de entrada para o DUT. Nesta figura, R é a distância radial da antena, D é o diâmetro da menor esfera que pode circundar a abertura da antena radiante e λ é o comprimento de onda (Figura 1).
A reação NF é a área mais próxima da antena DUT. Não apenas o campo evanescente não propagado domina nesta área, mas a antena de detecção nesta área também reagirá com a antena do DUT e se tornará efetivamente uma parte do dispositivo de irradiação do DUT. O tipo de medição realizada impõe restrições significativas.
O NF irradiado é a área onde a antena de detecção não reage mais com a antena do DUT, mas o comportamento do campo e a frente de fase são menos previsíveis e funcionam bem. As medições nesta área também requerem acesso à recuperação de fase nos caminhos de transmissão e recepção do algoritmo de compensação.
A radiação FF é uma área onde a frente de fase pode ser estimada em aproximadamente plana. Essa área é muito adequada para medir fase e amplitude, mas a desvantagem é que a perda de caminho é grande e a distância entre o DUT e a antena da sonda é grande (às vezes até volumosa).
Então, quais são as principais considerações para os engenheiros definirem as configurações de medição OTA?
Comprimento do alcance: a distância entre a sonda e o DUT
O comprimento do alcance deve ser otimizado para obter resultados de medição estáveis e precisos. Conforme mencionado acima, se você precisar medir em FF, é melhor manter o comprimento do alcance a uma distância maior que R = 2D2 / λ.
Portanto, o tamanho da câmara é diretamente afetado pelo comprimento de onda (frequência) em questão e pelo tamanho da antena do dispositivo. Por exemplo, o alcance do campo distante de uma antena de 5 cm a 28 GHz é de cerca de 50 cm. Para um 10 cm módulo da mesma frequência, precisa ser aumentado para 190 cm, e para um dispositivo de 15 cm, precisa ser aumentado para mais de 4 m (Figura 2).
Figura 2. Comprimento do alcance
DUT: Características do dispositivo na configuração do teste mmWave OTA
O DUT varia desde o elemento radiante até todo o dispositivo. Em um telefone celular, o DUT criará um “D” (Dispositivo), que inclui o tamanho mecânico da antena e o acoplamento com o elemento radiante. O Projeto de Parceria de Terceira Geração (3GPP) definiu três configurações de antena DUT, incluindo (Figura 3):
Configuração 1: O DUT possui no máximo um painel de antena, e a abertura máxima é igual ou inferior a 5 cm a qualquer momento.
Configuração 2: DUT tem várias antenas painéis, a abertura máxima de cada painel de antena é igual ou inferior a 5 cm, mas na ausência de coerência, isso significa que eles podem ser tratados como painéis independentes
Configuração 3: o DUT possui múltiplos painéis de antenas, e há coerência de fase / amplitude entre esses painéis, o que significa que eles não podem ser considerados como painéis independentes e “D” deve incluir todos eles.
Figura 3, diferentes configurações da antena DUT
Teste de caixa preta
O teste de caixa preta é um conceito de teste de conformidade de dispositivo especificado pelo 3GPP. Os engenheiros devem considerar a localização e o número de antenas como desconhecidos, o DUT é testado como uma "caixa preta" e deve assumir que a abertura da antena (D) é o mesmo que o tamanho de todo o DUT. Portanto, a configuração do dispositivo tem um impacto no comprimento do alcance necessário para a medição de FF (Figura 4).
Figura 4. Teste de caixa preta
Zona quieta
A zona tranquila refere-se à área onde a propagação de RF pode ser prevista e bem executada. Isso é muito importante para a precisão e repetibilidade, especialmente para o teste de parâmetros de RF ou quando mudanças de fase e amplitude baixas são necessárias. A área silenciosa deve ser grande o suficiente para conter os principais itens testados - seja o dispositivo inteiro ou a antena. O tamanho do dispositivo em teste ou da antena determina os requisitos para o tamanho da zona silenciosa. Obviamente, quanto maior for a zona de silêncio necessária, maior será a câmara necessária (Figura 5).
Figura 5, um diagrama esquemático da zona de silêncio
CATR: Outro método de teste DFF OTA
O alcance de teste de antena compacta (CATR) é um método de teste OTA de campo distante indireto (IFF). O CATR usa refletores moldados para realizar a transformação de campo próximo em campo distante. Isso resulta em um alcance menor e uma zona de silêncio maior, portanto, de acordo com um determinado tamanho de DUT, o tamanho da abertura e a frequência reduzem o tamanho da câmara. O feixe refletido do espelho parabólico torna-se um feixe colimado. Esta transição de uma frente de onda esférica para uma frente de onda plana resulta em uma grande zona silenciosa com amplitude e ondulações de fase muito pequenas. A menor distância resultante também significa que a perda de caminho entre o DUT e a sonda é menor, de modo que uma melhor faixa dinâmica de medição e uma melhor relação sinal-ruído (SNR) podem ser obtidas (Figura 6).
Figura 6 Faixa de teste de antena compacta (CATR)
5G significa que o teste mmWave OTA está se tornando um requisito mais comum. Esses tipos de desafios de medição são, sem dúvida, novas áreas para a maioria das indústrias sem fio comerciais. É muito importante cooperar com os especialistas em teste da mmWave e OTA, que também participaram das especificações 3GPP para obter conhecimento antecipado e o impacto da demanda. Por décadas, a Keysight tem fornecido funções de teste mmWave comerciais e estabeleceu a série de soluções de teste OTA mmWave líder mundial.
Os links: LM150X08-TL06 LM215WF3-S2L4