До появления 5G большая часть тестирования беспроводных устройств проводилась с использованием проводного метода. Это включает в себя тестирование наборов микросхем модемов, тестирование параметров радиочастоты (RF), а также полную проверку функций и производительности устройства. Методы беспроводного тестирования (OTA) в основном используются для тестирования характеристик антенны и измерения характеристик устройства с несколькими входами и выходами (MIMO). Устройства миллиметрового диапазона 5G (mmWave) представляют собой прорыв в индустрии беспроводной связи, поскольку OTA - единственный возможный метод тестирования для всех тестовых случаев радиосвязи.
До появления 5G большая часть тестирования беспроводных устройств проводилась с использованием проводного метода. Это включает в себя тестирование наборов микросхем модемов, тестирование параметров радиочастоты (RF), а также полную проверку функций и производительности устройства. Методы беспроводного тестирования (OTA) в основном используются для тестирования характеристик антенны и измерения характеристик устройства с несколькими входами и выходами (MIMO). Устройства миллиметрового диапазона 5G (mmWave) представляют собой прорыв в индустрии беспроводной связи, поскольку OTA - единственный возможный метод тестирования для всех тестовых случаев радиосвязи.
На частотах миллиметрового диапазона более высокие потери на трассе и более короткие длины волн требуют управляемой направленной антенны (усиления) - обычно фазированной антенной решетки. Помимо традиционных монопольных антенн LTE и диапазона частот 1 (FR1), для многих устройств 5G также требуется несколько наборов антенн миллиметрового диапазона. Поскольку мм-волновая антенна должна быть напрямую подключена к входному усилителю RF (RFFE), невозможно получить доступ и протестировать оборудование на более низких частотах, и требуются методы тестирования излучения.
В традиционных методах проведения радиочастотных испытаний используются коаксиальные кабели с высокими рабочими характеристиками между измерительным решением и тестируемым устройством (DUT). OTA заменяет этот кабель воздушным каналом, через который тестируемое устройство напрямую связывается с антенной, которая является частью тестового решения. Чтобы обеспечить хорошую радиочастотную среду (то есть проверить линии передачи и устранить внешние помехи), соединениями OTA лучше всего управлять в темной комнате.
Таким образом, типичные решения для измерения OTA включают в себя оборудование для радиочастотных измерений и темные комнаты. В фотолаборатории есть несколько основных компоненты:
Сам корпус имеет надлежащую ВЧ-изоляцию и внутреннее экранирование, что может минимизировать внутреннее отражение сигнала.
Измерительная антенна или «пробная» антенна обеспечивает основной канал измерения ВЧ для ИУ.
Локатор может изменять направление или положение ИУ.
Программное обеспечение для управления позиционерами и измерительным оборудованием.
При выборе правильных настроек для желаемого измерения инженеру необходимо учитывать несколько факторов. Но сначала краткий обзор соответствующих практических правил для электромагнитных полей.
Начнем с передачи волн
Рисунок 1. Разница между реактивным полем в ближней зоне (реактивный NF), излучаемым ближним полем (излучаемый NF) и излучаемым дальним полем (излучаемый FF)
По мере увеличения расстояния до антенны поведение и характеристики электромагнитного поля изменяются. Упрощенная модель, приведенная выше, показывает три области интереса: реактивное ближнее поле (реактивный NF), излучаемое ближнее поле (излучаемое NF) и излучаемое дальнее поле (излучаемое FF). При выполнении измерений OTA необходимо учитывать характеристики каждой области и расстояние между тестируемым устройством и антенной зонда. Например, для измерения в NF требуется программное обеспечение для преобразования ближнего поля в дальнее (NF-FF), которое требует восстановления фазы или управления фазой на входе тестируемого устройства. На этом рисунке R - радиальное расстояние от антенны, D - диаметр наименьшей сферы, которая может окружать апертуру излучающей антенны, а λ - длина волны (рисунок 1).
NF реакции - это зона, ближайшая к антенне DUT. В этой области не только преобладает нераспространяющееся затухающее поле, но и обнаруживающая антенна в этой области также будет реагировать с антенной DUT и фактически станет частью излучающего устройства DUT. Тип выполняемого измерения накладывает существенные ограничения.
Излучаемый NF - это область, где обнаруживающая антенна больше не взаимодействует с антенной DUT, но поведение поля и фазовый фронт менее предсказуемы и работают хорошо. Измерения в этой области также требуют доступа к восстановлению фазы в трактах передачи и приема алгоритма компенсации.
Излучение FF - это область, где фазовый фронт можно оценить как приблизительно плоский. Эта область очень подходит для измерения фазы и амплитуды, но недостатком является то, что потери на трассе велики, а расстояние между ИУ и пробной антенной велико (иногда даже громоздко).
Итак, каковы основные соображения инженеров при определении настроек измерения OTA?
Длина диапазона: расстояние между зондом и тестируемым устройством.
Длина диапазона должна быть оптимизирована для получения стабильных и точных результатов измерения. Как упоминалось выше, если вам нужно измерить в FF, длину диапазона лучше всего поддерживать на расстоянии, превышающем R = 2D2 / λ.
Следовательно, на размер камеры напрямую влияют рассматриваемая длина волны (частота) и размер антенны устройства. Например, дальность действия антенны диаметром 5 см на частоте 28 ГГц составляет около 50 см. На 10 см. модуль той же частоты ее необходимо увеличить до 190 см, а для устройства 15 см – до более 4 м (рис. 2).
Рисунок 2. Длина диапазона
DUT: Характеристики устройства в испытательной установке mmWave OTA
Диапазон DUT варьируется от излучающего элемента до всего устройства. В мобильном телефоне тестируемое устройство создает «D» (устройство), которое включает в себя механический размер антенны и связь с излучающим элементом. Проект партнерства третьего поколения (3GPP) определил три конфигурации антенны DUT, включая (рисунок 3):
Конфигурация 1: DUT имеет не более одной антенной панели, а максимальная апертура в любой момент не превышает 5 см.
Конфигурация 2: DUT имеет несколько антенн Панели, максимальная апертура каждой антенной панели равна или меньше 5 см, но при отсутствии согласованности это означает, что их можно рассматривать как независимые панели.
Конфигурация 3: DUT имеет несколько антенных панелей, и между этими панелями существует согласованность фазы / амплитуды, что означает, что они не могут рассматриваться как независимые панели, и буква D должна охватывать их все.
Рисунок 3, различные конфигурации антенны DUT
Испытание черного ящика
Тестирование черного ящика - это концепция тестирования устройств на соответствие, определенная 3GPP. Инженеры должны учитывать расположение и количество антенн как неизвестные, тестируемое устройство тестируется как «черный ящик» и должны предполагать, что апертура антенны (D) такая же, как и размер всего тестируемого устройства. влияние на длину диапазона, необходимую для измерения FF (Рисунок 4).
Рисунок 4. Тест черного ящика.
Тихая зона
Спокойная зона относится к области, где распространение радиочастотного излучения может быть предсказано и хорошо выполнено. Это очень важно для точности и воспроизводимости, особенно для тестирования ВЧ-параметров или когда требуются небольшие изменения амплитуды и фазы. Тихая зона должна быть достаточно большой, чтобы в ней могли находиться ключевые тестируемые элементы, будь то все устройство или антенна. Размер тестируемого устройства или антенны определяет требования к размеру тихой зоны. Конечно, чем больше требуется тихая зона, тем больше требуется камера (рис. 5).
Рисунок 5, схематическая диаграмма тихой зоны.
CATR: Другой метод тестирования DFF OTA
Компактный испытательный диапазон антенн (CATR) - это метод испытания OTA с непрямым дальним полем (IFF). CATR использует отражатели определенной формы для физического преобразования ближнего поля в дальнее. Это приводит к меньшей длине диапазона и большей тихой зоне, поэтому в соответствии с заданным размером DUT размер апертуры и частота уменьшают размер камеры. Луч, отраженный от параболического зеркала, становится коллимированным лучом. Этот переход от сферического волнового фронта к плоскому волновому фронту приводит к образованию большой тихой зоны с очень малой амплитудой и фазовой рябью. В результате меньшее расстояние также означает, что потери на пути между ИУ и пробником меньше, так что можно получить лучший динамический диапазон измерения и лучшее отношение сигнал / шум (SNR) (рисунок 6).
Рисунок 6 Компактный испытательный полигон антенны (CATR)
5G означает, что OTA-тестирование mmWave становится все более распространенным требованием. Подобные задачи измерения, несомненно, являются новой областью для большинства коммерческих беспроводных отраслей. Очень важно сотрудничать с экспертами по тестированию mmWave и OTA, которые также участвовали в разработке спецификаций 3GPP, чтобы получить ранние знания и влияние на спрос. На протяжении десятилетий компания Keysight предоставляет коммерческие функции тестирования миллиметровых волн и создала ведущую в мире серию решений для миллиметровых волн OTA.
Ссылки: ЛМ150С08-ТЛ06 LM215WF3-S2L4