"Trước 5G, hầu hết các thử nghiệm thiết bị không dây đều được thực hiện bằng phương pháp dây. Điều này bao gồm kiểm tra chipset modem, kiểm tra thông số tần số vô tuyến (RF) và hoàn thành xác minh hiệu suất và chức năng của thiết bị. Phương pháp kiểm tra qua không khí (OTA) chủ yếu được sử dụng để kiểm tra hiệu suất của ăng ten và đo hiệu suất đa đầu ra (MIMO) của thiết bị. Các thiết bị sóng 5G milimet (mmWave) đại diện cho một sự thay đổi đột phá trong ngành công nghiệp không dây, bởi vì OTA là phương pháp thử nghiệm khả thi duy nhất cho tất cả các trường hợp thử nghiệm vô tuyến.
"
Trước 5G, hầu hết các thử nghiệm thiết bị không dây đều được thực hiện bằng phương pháp dây. Điều này bao gồm kiểm tra chipset modem, kiểm tra thông số tần số vô tuyến (RF) và hoàn thành xác minh hiệu suất và chức năng của thiết bị. Phương pháp kiểm tra qua không khí (OTA) chủ yếu được sử dụng để kiểm tra hiệu suất của ăng ten và đo hiệu suất đa đầu ra (MIMO) của thiết bị. Các thiết bị sóng 5G milimet (mmWave) đại diện cho một sự thay đổi đột phá trong ngành công nghiệp không dây, bởi vì OTA là phương pháp thử nghiệm khả thi duy nhất cho tất cả các trường hợp thử nghiệm vô tuyến.
Ở tần số mmWave, suy hao đường truyền cao hơn và bước sóng ngắn hơn yêu cầu một ăng-ten định hướng có thể điều khiển được (độ lợi) - thường là một ăng-ten mảng theo từng giai đoạn. Ngoài các ăng-ten đơn cực LTE và Dải tần số 1 (FR1) truyền thống, nhiều thiết bị 5G cũng yêu cầu nhiều bộ ăng-ten mmWave. Vì ăng ten mmWave phải được kết nối trực tiếp với bộ khuếch đại RF front-end (RFFE), nên không thể truy cập và kiểm tra thiết bị theo cách tần số thấp hơn, và cần phải có các phương pháp kiểm tra bức xạ.
Các phương pháp kiểm tra RF được tiến hành truyền thống sử dụng cáp đồng trục hiệu suất cao giữa giải pháp đo và thiết bị được kiểm tra (DUT). OTA thay thế cáp này bằng một liên kết không khí qua đó DUT giao tiếp trực tiếp với ăng ten là một phần của giải pháp thử nghiệm. Để đảm bảo môi trường RF tốt (nghĩa là kiểm tra đường truyền và loại bỏ nhiễu bên ngoài), các kết nối OTA được quản lý tốt nhất bên trong phòng tối.
Do đó, các giải pháp đo OTA điển hình bao gồm thiết bị đo RF và phòng tối. Phòng tối có một số các thành phần:
Bản thân vỏ có cách ly RF thích hợp và che chắn bên trong, có thể giảm thiểu sự phản xạ bên trong của tín hiệu
Ăng ten đo hoặc ăng ten “đầu dò” cung cấp liên kết đo RF chính cho DUT
Bộ định vị có thể thay đổi hướng hoặc vị trí của DUT
Phần mềm điều khiển bộ định vị và thiết bị đo lường.
Khi chọn các cài đặt chính xác cho phép đo mong muốn, kỹ sư cần xem xét một số yếu tố. Nhưng trước hết, hãy xem xét nhanh các quy tắc ngón tay cái có liên quan đối với trường điện từ.
Hãy bắt đầu với việc truyền sóng
Hình 1. Sự khác biệt giữa trường gần phản ứng (NF phản ứng), trường gần bức xạ (NF bức xạ) và trường xa bức xạ (FF bức xạ)
Khi khoảng cách của ăng-ten tăng lên, hoạt động và đặc tính của trường điện từ sẽ thay đổi. Mô hình đơn giản ở trên cho thấy ba lĩnh vực quan tâm: trường gần phản ứng (NF phản ứng), trường gần bức xạ (NF bức xạ) và trường xa bức xạ (FF bức xạ). Khi thực hiện các phép đo OTA, các đặc điểm của từng khu vực phải được xem xét, và phải xem xét khoảng cách giữa DUT và ăng ten của đầu dò. Ví dụ, đo trong NF yêu cầu phần mềm chuyển đổi trường gần sang trường xa (NF-FF), phần mềm này yêu cầu khôi phục pha hoặc điều khiển pha đầu vào tới DUT. Trong hình này, R là khoảng cách xuyên tâm từ anten, D là đường kính của hình cầu nhỏ nhất có thể bao quanh khẩu độ của anten bức xạ và λ là bước sóng (Hình 1).
NF phản ứng là vùng gần anten DUT nhất. Không chỉ trường phát xạ không lan truyền chiếm ưu thế trong khu vực này, mà ăng ten phát hiện trong khu vực này cũng sẽ phản ứng với ăng ten DUT và trở thành một phần của thiết bị bức xạ DUT một cách hiệu quả. Loại phép đo được thực hiện có những hạn chế đáng kể.
NF bức xạ là khu vực mà ăng ten phát hiện không còn phản ứng với ăng ten DUT, nhưng hành vi trường và pha trước ít có thể dự đoán hơn và hoạt động tốt. Các phép đo trong lĩnh vực này cũng yêu cầu quyền truy cập phục hồi pha trong các đường truyền và nhận của thuật toán bù.
FF bức xạ là một vùng mà mặt trước của pha có thể được ước tính là xấp xỉ bằng phẳng. Khu vực này rất thích hợp để đo pha và biên độ, nhưng nhược điểm là suy hao đường dẫn lớn, và khoảng cách giữa DUT và anten đầu dò lớn (đôi khi còn cồng kềnh).
Vì vậy, những cân nhắc chính đối với các kỹ sư để xác định cài đặt đo lường OTA là gì?
Độ dài dải: khoảng cách giữa đầu dò và DUT
Độ dài dải đo phải được tối ưu hóa để có được kết quả đo ổn định và chính xác. Như đã đề cập ở trên, nếu bạn cần đo trong FF, độ dài phạm vi tốt nhất nên giữ ở khoảng cách lớn hơn R = 2D2 / λ.
Do đó, kích thước của buồng bị ảnh hưởng trực tiếp bởi bước sóng (tần số) được đề cập và kích thước của ăng-ten của thiết bị. Ví dụ: phạm vi trường xa của ăng-ten 5cm ở tần số 28GHz là khoảng 50cm. Cho 10 cm mô-đun cùng tần số thì cần tăng lên 190 cm, đối với thiết bị 15 cm thì cần tăng lên hơn 4 m (Hình 2).
Hình 2. Độ dài phạm vi
DUT: Các đặc điểm của thiết bị trong thiết lập kiểm tra mmWave OTA
DUT nằm trong khoảng từ phần tử bức xạ đến toàn bộ thiết bị. Trong điện thoại di động, DUT sẽ tạo ra một chữ “D” (Thiết bị), bao gồm kích thước cơ học của ăng-ten và khớp nối với phần tử bức xạ. Dự án Đối tác Thế hệ thứ Ba (3GPP) đã xác định ba cấu hình ăng ten DUT, bao gồm (Hình 3):
Cấu hình 1: DUT có nhiều nhất một bảng ăng-ten và khẩu độ tối đa bằng hoặc nhỏ hơn 5 cm bất kỳ lúc nào.
Cấu hình 2: DUT có nhiều ăng-ten tấm, khẩu độ tối đa của mỗi bảng ăng-ten bằng hoặc nhỏ hơn 5 cm, nhưng trong trường hợp không có tính nhất quán, điều này có nghĩa là chúng có thể được coi là bảng độc lập
Cấu hình 3: DUT có nhiều bảng ăng-ten và có sự đồng nhất về pha / biên độ giữa các bảng này, có nghĩa là chúng không thể được coi là bảng độc lập và “D” phải bao quanh tất cả chúng.
Hình 3, các cấu hình khác nhau của anten DUT
Kiểm tra hộp đen
Kiểm tra hộp đen là một khái niệm kiểm tra sự phù hợp của thiết bị do 3GPP chỉ định. Các kỹ sư phải coi vị trí và số lượng ăng-ten là chưa biết, DUT được kiểm tra như một “hộp đen” và phải giả định rằng khẩu độ của ăng-ten (D) giống với kích thước của toàn bộ DUT. Do đó, cấu hình thiết bị có tác động đến độ dài dải cần thiết cho phép đo FF (Hình 4).
Hình 4. Kiểm tra hộp đen
Vùng yên tĩnh
Vùng yên tĩnh đề cập đến khu vực có thể dự đoán và thực hiện tốt quá trình lan truyền RF. Điều này rất quan trọng đối với độ chính xác và độ lặp lại, đặc biệt là đối với việc kiểm tra các thông số RF hoặc khi yêu cầu thay đổi biên độ và pha thấp. Khu vực yên tĩnh cần phải đủ lớn để chứa các mục quan trọng đang được kiểm tra - cho dù đó là toàn bộ thiết bị hay ăng-ten. Kích thước của thiết bị được thử nghiệm hoặc ăng-ten xác định các yêu cầu đối với kích thước của vùng yên tĩnh. Tất nhiên, yêu cầu vùng yên tĩnh càng lớn thì yêu cầu buồng càng lớn (Hình 5).
Hình 5, một giản đồ của vùng yên tĩnh
CATR: Một phương pháp kiểm tra DFF OTA khác
Phạm vi đo kiểm ăng ten nhỏ gọn (CATR) là một phương pháp đo kiểm OTA trường xa gián tiếp (IFF). CATR sử dụng gương phản xạ hình dạng để thực hiện chuyển đổi trường gần sang trường xa. Điều này dẫn đến độ dài phạm vi ngắn hơn và vùng yên tĩnh lớn hơn, vì vậy theo kích thước DUT nhất định, kích thước khẩu độ và tần số giảm kích thước của buồng. Chùm tia phản xạ từ gương parabol trở thành chùm tia chuẩn trực. Sự chuyển đổi này từ mặt sóng hình cầu sang mặt sóng phẳng dẫn đến một vùng yên tĩnh lớn với biên độ và gợn sóng pha rất nhỏ. Kết quả là khoảng cách ngắn hơn cũng có nghĩa là suy hao đường truyền giữa DUT và đầu dò nhỏ hơn, do đó có thể thu được dải động đo tốt hơn và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt hơn (Hình 6).
Hình 6 Dải đo kiểm ăng ten nhỏ gọn (CATR)
5G có nghĩa là thử nghiệm mmWave OTA đang trở thành một yêu cầu chính thống hơn. Những thách thức về đo lường này chắc chắn là những lĩnh vực mới đối với hầu hết các ngành công nghiệp không dây thương mại. Điều rất quan trọng là hợp tác với các chuyên gia kiểm tra mmWave và OTA, những người cũng đã tham gia vào các thông số kỹ thuật của 3GPP để có được kiến thức ban đầu và tác động đến nhu cầu. Trong nhiều thập kỷ, Keysight đã cung cấp các chức năng thử nghiệm mmWave thương mại và đã thiết lập loạt giải pháp thử nghiệm mmWave OTA hàng đầu thế giới.
Các liên kết: LM150X08-TL06 LM215WF3-S2L4