5G系統(tǒng)的更加先進(jìn)，無線用戶的數(shù)量將大幅增加。用戶都希望自己所有的移動(dòng)設(shè)備都具備更好的質(zhì)量和更高的可用性，因此提高網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的可靠性勢(shì)在必行。在評(píng)估和確定移動(dòng)電話和平板電腦等無線設(shè)備以及基站的可靠性和性能特性的過程中，空中傳輸(OTA)測(cè)試是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其測(cè)試環(huán)境需要十分接近上述設(shè)備的實(shí)際使用環(huán)境。對(duì)支持5G環(huán)境的組件進(jìn)行的測(cè)試與4G/LTE環(huán)境中的測(cè)試迥然相異。盡管利用電纜連接移動(dòng)設(shè)備和測(cè)試設(shè)備是最為方便和劃算的做法，但這樣將無法模擬出設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，因此隨著設(shè)備的集成度日益提升，這種方法的可行性將越來越低。為了獲得5G所需的更高帶寬支持，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商將著眼點(diǎn)放到了更高的頻率，這使得測(cè)試設(shè)備面臨更大的挑戰(zhàn)。為了使移動(dòng)設(shè)備的測(cè)試環(huán)境接近用戶的實(shí)際使用環(huán)境，測(cè)試必須以無線或空中傳輸方式執(zhí)行。通過這種方式，設(shè)計(jì)人員可以觀察到無線電波從用戶設(shè)備傳播到基站以及從基站傳播到用戶設(shè)備時(shí)的實(shí)際情況。

 

在移動(dòng)技術(shù)面向5G系統(tǒng)不斷演進(jìn)的過程中，有兩大推動(dòng)力使得OTA測(cè)試成為必然。首先，被測(cè)設(shè)備(DUT)的集成度大幅提升，無法使用電纜在被測(cè)設(shè)備和測(cè)試設(shè)備之間建立物理連接，因此需要進(jìn)行OTA測(cè)試。其次，毫米波頻率下的信號(hào)傳輸損耗很高，因此需要通過波束聚焦或波束成形來提高增益。進(jìn)行波束特征測(cè)試以及檢查波束采集和波束跟蹤性能時(shí)，需要進(jìn)行測(cè)試設(shè)置。只有OTA測(cè)試系統(tǒng)才具備此功能。

 

 

目前，為數(shù)眾多的監(jiān)管機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化組織、產(chǎn)業(yè)組織和運(yùn)營(yíng)商均要求對(duì)無線設(shè)備進(jìn)行OTA測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)系統(tǒng)的全球可訪問性和互操作性，業(yè)內(nèi)已經(jīng)發(fā)起了認(rèn)證測(cè)試，使得全世界制造商旗下的全新移動(dòng)設(shè)備都能具備相同的質(zhì)量水平。

 

CTIA（移動(dòng)電話行業(yè)協(xié)會(huì)）針對(duì)3G和4G LTE設(shè)備制定了OTA測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，并在全球各地設(shè)有認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室。業(yè)內(nèi)針對(duì)傳輸過程中有關(guān)輻射功率電平和接收機(jī)靈敏度等級(jí)的OTA性能定義了最低性能要求，使所有呼叫在預(yù)先定義的環(huán)境下都能夠被接收。尤其是在美國(guó)，無線運(yùn)營(yíng)商也制定了行業(yè)性能要求，且新設(shè)備必須符合相關(guān)要求方可入網(wǎng)運(yùn)行。

 

通常情況下，所有能夠發(fā)射電磁波的設(shè)備在其研發(fā)階段都會(huì)應(yīng)用OTA測(cè)試。例如，目前階段的移動(dòng)電話測(cè)試是為了確保設(shè)備能夠從各個(gè)方向均勻接收并向各個(gè)方向均勻發(fā)射同一信號(hào)（圖1）。其重要性在于，天線向各個(gè)方向均勻發(fā)射信號(hào)使得移動(dòng)設(shè)備用戶無需面朝特定方向即可獲得高質(zhì)量信號(hào)，也不會(huì)在經(jīng)過高層建筑物時(shí)掉線。研發(fā)時(shí)使用OTA測(cè)試設(shè)備還有一點(diǎn)尤為重要的作用，就是能夠在產(chǎn)品開發(fā)的初期發(fā)現(xiàn)問題。

 

圖1：目前的手機(jī)是針對(duì)均勻電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和測(cè)試。

 

 

為了容納更多的用戶、獲得更高的帶寬和實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要啟用更高的頻率。啟用30、40、50、60甚至90GHz的頻段時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)入厘米波和毫米波范圍。在較高頻率下波長(zhǎng)變短，同時(shí)給定功率電平的傳輸距離也變短。為了應(yīng)對(duì)自由空間路徑損耗以及大氣吸收、雨水/氣體散射和視距問題等因素導(dǎo)致的損耗，我們需要進(jìn)行技術(shù)革新。這些應(yīng)用需要全新設(shè)備將具有很高的集成度，這使得通過電纜建立物理測(cè)試連接將成為異常艱難或不可能完成的任務(wù)。因此對(duì)于5G來說，OTA測(cè)試至關(guān)重要。

 

由于上述損耗，較高頻率下的信號(hào)吸收率會(huì)變得更高。為了實(shí)現(xiàn)必要的通信距離，提供商需要提高發(fā)射機(jī)的功率，或?qū)⒁苿?dòng)設(shè)備的輻射能聚焦為尖窄波束（圖2）。

 

圖2：移動(dòng)設(shè)備需要集中發(fā)射機(jī)波束，以最大化毫米波頻率的發(fā)射功率。

 

這一過程需要新的天線結(jié)構(gòu)和陣列，確保以適當(dāng)方式聚焦波束。需針對(duì)聚焦波束設(shè)置空間或方向組件，以確保波束指向正確，并確保在出現(xiàn)通信信道阻塞時(shí)切換波束。這種波束成形技術(shù)將利用用戶設(shè)備（UE）的不相關(guān)位置同時(shí)向不同的UE發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使得名為MIMO的多天線理念得以延伸。此外，波束成形指向特定UE，專門排除指向其他UE，因此也有助于降低能耗（圖3）。

 

圖3：波束成形可以將功率指向所需位置，同時(shí)最大限度地減少對(duì)其他設(shè)備的干擾。

 

連接器的成本、損耗和耦合度均很高，因此無法在測(cè)試中使用。此外，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，無線電收發(fā)信機(jī)直接與天線集成（圖4），由此造成RF測(cè)試端口的損耗，因此DUT無線電和天線的性能只能通過空中傳輸OTA方式測(cè)量。

 

圖4：5G設(shè)備可能包含一組極化天線陣，而難以通過有線方式測(cè)試。

 

OTA測(cè)試將為5G系統(tǒng)帶來變革，也將成為全新設(shè)計(jì)和認(rèn)證的前提。在5G測(cè)試系統(tǒng)中，基本組件大體維持不變，但必須能夠適應(yīng)較高頻率。

 

 

OTA性能測(cè)試系統(tǒng)的核心部分包括測(cè)試暗室、轉(zhuǎn)臺(tái)定位設(shè)備、用于生成和分析信號(hào)的測(cè)試儀器、測(cè)量天線，以及用于測(cè)量自動(dòng)化的控制和報(bào)告軟件。被測(cè)設(shè)備和測(cè)量天線之間建立了通信，以確保設(shè)備正確發(fā)送和接收信號(hào)。目前的OTA測(cè)試需在（屏蔽和封閉的）理想環(huán)境中進(jìn)行，即在無反射且無回波的電波暗室中進(jìn)行（圖5）。暗室的大小取決于被測(cè)物體和頻率范圍，其內(nèi)部襯有用于吸收反射信號(hào)的吸波材料。測(cè)試中需要考慮到設(shè)備的輻射特性，同時(shí)應(yīng)消除其他一切傳輸干擾。

 

圖5：OTA測(cè)試需要在無反射且無回波的電波暗室中進(jìn)行。

 

現(xiàn)實(shí)生活中移動(dòng)設(shè)備會(huì)在室內(nèi)或室外、城市或農(nóng)村、開闊區(qū)域或森林，或存在其他無線設(shè)備的各類環(huán)境下以固定或移動(dòng)方式使用，無法直接應(yīng)用于測(cè)試目的。這些現(xiàn)實(shí)生活中情景都需要通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試進(jìn)行模擬，目前這一過程正在運(yùn)用在5G應(yīng)用的轉(zhuǎn)換。認(rèn)證測(cè)試需要在指定的測(cè)試暗室內(nèi)進(jìn)行，以生成精確且可重現(xiàn)和復(fù)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

 

OTA測(cè)試可用于測(cè)量?jī)?nèi)部組件和其他設(shè)備的各類性能因素，包括信號(hào)路徑、天線增益、天線方向圖、輻射功率和設(shè)備靈敏度等。2015年5月，CTIA發(fā)布了“無線設(shè)備空中傳輸性能測(cè)試計(jì)劃”(Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance)，專門針對(duì)功率和性能指定了測(cè)試和設(shè)置程序以及測(cè)量方法。

 

如今，關(guān)鍵的OTA測(cè)試測(cè)量數(shù)據(jù)包括設(shè)備的總輻射功率(TRP)、總?cè)蜢`敏度（TIS，需參照CTIA規(guī)范）、總輻射靈敏度（TRS，需參照3GPP規(guī)范），等效全向輻射功率(EIRP)以及中間通道輻射靈敏度(RSIC)等等。TRP屬于發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)，而TIS/TRS屬于接收機(jī)性能指標(biāo)。為了對(duì)天線的方向圖和效率進(jìn)行測(cè)試，還需進(jìn)行其他測(cè)量?？蛇M(jìn)行共存性測(cè)量，以評(píng)估同時(shí)應(yīng)用多個(gè)無線技術(shù)時(shí)的靈敏度下降情況?？赏ㄟ^OTA測(cè)試提高出現(xiàn)了問題的區(qū)域中的設(shè)備性能。

 

 

我們?cè)谶M(jìn)行OTA測(cè)量和建立OTA測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，會(huì)面臨多個(gè)挑戰(zhàn)。一部分挑戰(zhàn)與天線系統(tǒng)有關(guān)。隨著面向5G系統(tǒng)的技術(shù)不斷發(fā)展，要使3D天線既能測(cè)試移動(dòng)波束，又能控制干擾和散射因素，找到合適的3D天線設(shè)置和定位方案將變得十分困難。測(cè)量時(shí)必須考慮到一個(gè)全新的維度——空間或功率與離波方向的對(duì)比。必須要為設(shè)備考慮到一個(gè)特殊因素，那就是在OTA測(cè)試期間，關(guān)系對(duì)輻射方向圖產(chǎn)生的阻擋作用。測(cè)量三維天線方向圖的OTA測(cè)試可以在近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)情況下進(jìn)行（圖6）?？稍谳^小的電波暗室內(nèi)進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量，但需要能夠以較高定位精度測(cè)量相位和振幅，并能夠?qū)鼒?chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的變換進(jìn)行后期處理。

 

圖6：近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)量需要不同測(cè)試設(shè)置。

 

還有一項(xiàng)挑戰(zhàn)是，有源天線系統(tǒng)中的每臺(tái)收發(fā)信機(jī)都需要通過OTA接口進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。必須將每臺(tái)收發(fā)信機(jī)打開進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證，或?qū)⒁唤M收發(fā)信機(jī)打開進(jìn)行聯(lián)合評(píng)估。

 

第三項(xiàng)挑戰(zhàn)所專門針對(duì)的是5G中大量應(yīng)用的波束成形。由于毫米波無線系統(tǒng)的路徑損耗較高且范圍有限，移動(dòng)用戶需要通過精確的波束生成來快速采集和跟蹤信號(hào)。對(duì)于現(xiàn)有蜂窩通信技術(shù)的天線來說，靜態(tài)方向圖特征校準(zhǔn)已經(jīng)足夠，但毫米波系統(tǒng)則需要通過動(dòng)態(tài)波束測(cè)量系統(tǒng)對(duì)波束跟蹤和波束控制算法進(jìn)行精確的測(cè)量。

 

還有幾項(xiàng)挑戰(zhàn)所涉及的是設(shè)備的RF一致性測(cè)試，如今可憑借經(jīng)過良好特征校準(zhǔn)的電纜測(cè)試端口連接來實(shí)現(xiàn)重復(fù)測(cè)量。5G設(shè)備中缺少外接型RF測(cè)試端口，因此需要在OTA環(huán)境中定義此類測(cè)試設(shè)置和必要的校準(zhǔn)措施。

 

類似的挑戰(zhàn)也存在于生產(chǎn)過程中。每臺(tái)具備無線功能的設(shè)備都需要執(zhí)行輻射設(shè)備測(cè)試。為了不影響設(shè)備的生產(chǎn)速度，OTA測(cè)試系統(tǒng)必須靈活多變，且能夠快速適應(yīng)未來不可預(yù)見的設(shè)備測(cè)試需求，而不會(huì)影響到測(cè)試方法的質(zhì)量或深度。對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的目的是確保RF信號(hào)路徑間的偏差小于規(guī)定極限，并且必須對(duì)組裝完畢的設(shè)備執(zhí)行功能性測(cè)試。

 

 

在向5G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程中，OTA測(cè)試的作用將變得愈發(fā)重要。隨著集成度和毫米波頻率的提升，我們可能無法繼續(xù)通過測(cè)試端口進(jìn)行測(cè)量。設(shè)備供應(yīng)商將需要依靠OTA測(cè)試來驗(yàn)證設(shè)備性能。此外，隨著5G設(shè)備的設(shè)計(jì)方案最終敲定，OTA測(cè)試系統(tǒng)供應(yīng)商必須快速利用自身經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，完成對(duì)全新測(cè)試方法和測(cè)量系統(tǒng)的定義。與前幾代設(shè)備相比，5G設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)中的測(cè)試和測(cè)量將發(fā)揮更大的戰(zhàn)略性作用，同時(shí)OTA測(cè)試供應(yīng)商需要與客戶緊密合作，以滿足其不斷變化的需求，并在這一過程中與客戶建立牢固的合作伙伴關(guān)系。

 

本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。