快速的毫米波OTA測試

Su-WeiChang, Ethan Lin, Andrew Wu and Jackrose Kuo, TMY Technology Inc. (TMYTEK)

相控陣列天線聚集了許多天線單元，形成一個(gè)大型陣列，利用波束賦形來增加定向增益，等效全向輻射功率（EIRP）表征相控陣列在某個(gè)指定方向的功率。定向增益可以補(bǔ)償信號衰減，使應(yīng)用能夠受益于毫米波的高帶寬和低延遲。因此，相控陣已被廣泛用于5G和衛(wèi)星通信，通過波束賦形和波束轉(zhuǎn)向技術(shù)實(shí)現(xiàn)MIMO、多用戶MIMO（MU-MIMO）和大規(guī)模MIMO（mMIMO）架構(gòu)，以增加網(wǎng)絡(luò)容量并改善用戶體驗(yàn)。

為了最大限度地減小尺寸并實(shí)現(xiàn)最佳性能，許多系統(tǒng)采用了緊湊的封裝天線（AiP）架構(gòu)，其中相控陣天線和波束賦形器、功率放大器和升降頻器等部件都是集成的（見圖1）。測試毫米波AiP系統(tǒng)的唯一方法是OTA（不連接導(dǎo)線），因?yàn)锳iP系統(tǒng)是一個(gè)單一的緊湊型封裝，有許多射頻通道，在天線單元上沒有射頻連接器。波束轉(zhuǎn)向是效能成功的一個(gè)關(guān)鍵因素。為保證波束轉(zhuǎn)向性能，OTA測試必須評估AiP的特性，如輻射圖和各單元的相對增益和相位。

圖1AiP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的OTA測試方式

隨著5G和衛(wèi)星通信的廣泛應(yīng)用，更多的系統(tǒng)和設(shè)備正在向毫米波發(fā)展。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)，這些應(yīng)用的設(shè)備具有不同的尺寸和形狀；天線系統(tǒng)的OTA測量需要一個(gè)測試暗室，暗室的大小取決于設(shè)備的尺寸。對于5G系統(tǒng)，3GPP定義了幾個(gè)測量選項(xiàng)：

遠(yuǎn)場測量選項(xiàng)

3GPP TR 38.810規(guī)范定義了直接遠(yuǎn)場（DFF）技術(shù)，該技術(shù)需要一個(gè)最小測量距離（見圖2），來自信號源的球面波被轉(zhuǎn)化為平面波用于輻射圖測量。根據(jù)AiP模塊的直徑和工作波長，DFF方法通常需要更大的暗室。例如，一個(gè)天線尺寸為15厘米的28 GHz設(shè)備需要一個(gè)4.2米的暗室來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場測量。暗室越大，成本越高，占用空間越大，暗室內(nèi)的機(jī)械操作也會增加測試時(shí)間。

圖2直接遠(yuǎn)場測試裝置。

緊湊型天線測試（CATR）使用間接遠(yuǎn)場（IFF）方法來減小暗室的尺寸（見圖3）。CATR系統(tǒng)使用拋物線反射器將來自饋電喇叭的波平行化，以創(chuàng)造一個(gè)遠(yuǎn)場的測試環(huán)境。雖然被測設(shè)備（DUT）和饋電天線之間的距離基本減半，但整個(gè)CATR系統(tǒng)仍然需要一個(gè)尺寸很大的暗室。除了尺寸外，CATR的設(shè)置還延長了測量時(shí)間，通常需要10到20分鐘。

圖3使用CATR的間接遠(yuǎn)場測試裝置。

為了測量三維球體的輻射圖，傳統(tǒng)的DFF和CATR測試方法包括在方位角和仰角旋轉(zhuǎn)被測物以進(jìn)行完整的輻射圖測量。這需要將被測物安裝在由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)臺上，通常需要幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)才能產(chǎn)生完整的三維天線輻射圖——有可能出現(xiàn)干擾或由馬達(dá)引起的其他限制。

喇叭天線測量

使用喇叭天線測試AiP對于大規(guī)模生產(chǎn)測試來說更快、更有成本效益（見圖4）。然而，它只能測量固定角度的總輻射峰值功率。即使有三個(gè)喇叭系統(tǒng)，每個(gè)喇叭都在不同的位置，測試角度和尺寸也是有限的。由于AiP是一個(gè)有許多天線單元的相控陣，每個(gè)單元都有可配置的增益和相位，只測量幾個(gè)方向的增益會產(chǎn)生評估天線輻射圖和保證AiP系統(tǒng)性能的不確定性。

圖4使用喇叭天線進(jìn)行OTA測試。

OTA測試需要一個(gè)穩(wěn)定和良好的校準(zhǔn)的測試環(huán)境。如前所述，現(xiàn)有的基于暗室的測試方案可以提供全面的測量，但暗室很笨重，成本很高，而且測試很耗時(shí)。轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度很慢，容易受到干擾，而且可能受到轉(zhuǎn)向限制。這對生產(chǎn)線來說沒有意義。雖然喇叭天線測試方法在生產(chǎn)中被廣泛采用，但評估AiP的測試復(fù)蓋率是一個(gè)重要的突破口。

創(chuàng)新的OTA測試解決方案

為了解決這些問題，稜研科技（TMYTEK)開發(fā)了一種相控陣天線測試方法，它速度快，占地小，能同時(shí)測量功率和相位。由于天線輻射圖是相控陣天線的關(guān)鍵元素，識別天線單元之間的任何增益損失或相位差異是非常重要的，而傳統(tǒng)的測試方法無法在生產(chǎn)中有效地執(zhí)行這一環(huán)節(jié)。

TMYTEK的XBeam系統(tǒng)有兩個(gè)版本，可在10秒內(nèi)掃描2D和3D的天線輻射圖——比其他商業(yè)測試方法快100倍。它結(jié)構(gòu)緊湊，完全電子化，沒有電機(jī)限制測量或造成干擾。小尺寸的設(shè)計(jì)使它很容易集成其他測試元件（如處理機(jī)），其應(yīng)用編程接口（API）和驅(qū)動(dòng)程序支持與現(xiàn)有測試程序配置的集成。使用TMYTEK的UD Box升降頻器可以使用

審核編輯 ：李倩