5G毫米波终端OTA测试挑战与测试方案

谷思佳

5G技术定义了三大典型的应用场景，即增强的移动宽带（EMBB：Enhanced Mobile Broadband）、海量机器类型通信 （massive Machine Type Communications：mMTC） 和超高可靠低延迟通信 （Ultra-Reliable & Low Latency Communications：URLLC）。为了增加小区容量，5G采用大规模天线阵列（Massive MIMO）技术，利用MIMO（Multiple-in-Multiple-out）和波束赋形的技术。当前的4G系统使用单用户MIMO，用户设备 （user equipment：UE） 计算逆信道矩阵以提取分离的数据流。5G采用了多用户MIMO技术，能够给不同的用户发送不同的功率等级，从而更加灵活地分配信道资源。此外，结合波束赋形技术，多用户MIMO可以通过给单独UE发送具有较强指向性的信号来降低系统功耗。

5G OTA测试挑战

众所周知，MIMO和波束赋形的技术都离不开天线阵列。如今，天线阵列的阵子达到了上百甚至上千个。由于大规模天线阵的设计，研发和生产过程中，天线方向图，射频指标等参数是天线阵的重要考察指标，因此OTA（Over-the-air）测试是研究天线阵性能的主要方法。天线阵子数量的增加提高了通信系统复杂性，这对天线阵性能评估提出了新的要求，面临的挑战主要有以下几点。

首先，随着频率的提高，设备的射频前端和天线阵子高度集成化，由于待测件可能不存在测试接口，以往能够通过传导法进行的测试项目（如发射机和接收机项目）需要通过空口方式进行。其次，由于毫米波频段的空间损耗与线损相比传统通信低频的损耗要高许多，这会影响测试系统的动态范围，从而影响测试项目的可行性，测试精度等一系列参数。因此，如何提高测试环境的动态范围是个难点，也是系统设计方案中需要着重考虑的方面。总体来讲，OTA将渗透到产品研发和生产的各个阶段。

OTA系统解决方案

罗德与施瓦茨提供交钥匙的天线和OTA系统测试解决方案，暗室类型包括直接远场、近场、平面波转换器和金属反射面紧缩场等。

毫米波终端研发与预一致性测量方案：R&S?ATS1000测试系统

R&S?ATS1000测试系统是根据3GPP测试规范设计的白盒测试方案 [1]。R&S?ATS1000能够帮助研发人员和产线工程师对天线模块、收发器、芯片组和无线设备进行OTA测量。结合相关的测试设备，整个系统可以在18 GHz到90 GHz的频率范围内进行测试，可以覆盖目前5G所关注的所有毫米波频段。

R&S?ATS1000暗室主要由RF屏蔽室、吸波材料、高精度3D转台、天线摇臂以及覆盖整个频率范围的测量天线构成。暗室的结构设计十分紧凑，高度为2米，占地面积不到1.5平米，是市面上占地面积最小、带有3D高精度转台的毫米波直接远场测试暗室之一。此外，暗室底部装有万向脚轮，用户可以轻松地将暗室推到合适的位置，并且在需要的时候将暗室移动位置，丰富了系统的灵活性。另外，暗室顶部和侧方的激光定位器有利于精确控制待测件的摆放位置。因为根据白盒的测试定义，需要将待测天线严格对准转台中心，以达到最佳的测量精度。总之，R&S?ATS1000测试系统是一套快速，准确，可重复性强测试环境。

R&S?AMS32是暗室自动化控制软件，R&S?ATS1000结合相关测试设备可以在几分钟内完成5G天线阵列的辐射方向图的精确测量。此外，通过结合R&S?ATS1000与R&S?TS8980测试系统，用户可以从OTA的测量中得到相关的RF参数（例如：功率，ACLR和EVM）。

由于毫米波待测件没有射频口，高低温测试也需要在OTA的环境下进行。然而加热整个暗室非常困难，一方面由于暗室内的吸波材料无法承受较高的温度;另一方面，温度的变化将会影响暗室转台的机械精度与使用寿命。因此需要在暗室内部建立一个温度箱，DUT在温度箱内，并且箱体内的维度可以控制。当然高低温箱需要具有较好的透波性能来低限度的减少对待测件射频性能的影响。但是，在高低温箱存在的情况下进行3D的采样测试是个难点。R&S?ATS1000暗室系统较好的解决了这个问题。我们设计了一个温度罩将待测件及转台完全包裹住，温度罩连接到暗室外的压缩机，能够保证温度罩内的温度从-40°到85°快速变化。这样设计的好处在于，第一，暗室内的转台和摇臂的转动范围不受温控箱影响，系统仍然可以进行3D方向图测试，解决了大部分带温控箱的暗室只能进行单点或者二维测试的难题;第二，温度罩的材料为透波低损耗材料，而且能够将温度有效地控制在DUT周围而不会影响到暗室外部其他部分，如吸波材料和转台。

毫米波终端一致性测量方案：R&S?ATS1800C紧缩场测试系统

OTA的远场距离公式为R=2D2/λ定义，其中D是最大天线口径或尺寸，λ为对应频率的波长[2]。由公式可知，毫米波终端所需的远场距离较远。举例来说，一个工作在28 GHz，对尺寸为15 cm的终端做整机测试时，其远场距离为4.2m。这个距离采用直接远场法会导致很高的损耗，因此3GPP中将整机一致性（包括射频和协议）的测试场型定位紧缩场[1]。

R&S?ATS1800C是罗德与施瓦茨提供的紧缩场测试方案，暗室提供30cm的静区，能够支持3GPP要求的黑盒测试。此外，结合相关的测试设备，整个系统支持3GPP所要求的带内与带外的测试评估要求。另外，配合高精度转台，系统能够支持认证测试中的头、手模型，是目前市场上最早支持该模型的暗室系统。R&S?ATS1800C与R&S?ATS1000外形结构类似，是市场上占地面积最小、带有3D高精度转台、拥有30cm静区、支持头手模型、高低温测试的毫米波紧缩场测试暗室之一。

OTA系统将通过R&S?Contest实现自动化控制，通过结合R&S?ATS1800C与R&S?TS8980测试系统，用户可以根据3GPP的测试用例进行一致性测试。总之，R&S?ATS1800C测试系统是一套快速，准确，可重复性强测试环境。

小结

天線阵列在5G通信系统中发挥着重要的作用。天线阵在研发、设计和生产阶段需要完备的测试设备对其性能进行评估。OTA测试是表征大规模MIMO阵列和内部收发器性能的必要手段。这将会推动OTA暗室和测量设备跟新迭代，以便满足测量天线辐射特性和收发器性能的要求。罗德与施瓦茨拥有OTA测试完整的解决方案以及大量相关领域的测试经验，可以满足5G毫米波终端的测试需求。