5G讯号当道 OTA测试关键任务 ​毫米波高频测试

从现在到2030年，5G将持续保有世界上最重要的蜂窝技术的主导地位。在接下来的10年里，原始设备制造商必须不断创新，以便他们能够继续满足对更快、更广泛和更可靠连接的需求。凭借更快的速度和超低延迟，新的5G无线电网络已经在许多应用市场中运作，包括汽车、工业、医疗和国防等。

5G带来的改变
5G无线电网络带来了主要的频域挑战和架构变化。5G频率范围包括低频段（低于6 GHz）和高频段毫米波（24 GHz至100 GHz范围）。电路架构的挑战在于在管理系统级电源的同时，还增加了网络上的信道数量。

与4G系统相比，5G系统速度快上数百倍，延迟降低10倍，网络密度更高，可支持数十亿台设备。例如，透过4G下载一部高清电影需要几十分钟，而透过5G下载只需几秒钟。4G系统的延迟在50到200毫秒之间，接近人类视觉刺激反应的250毫秒。但使用5G，延迟降至1毫秒。尽管如此，增加的速度和额外的设备及用户的组合，也大幅地影响了系统功率。

在5G网络中，需要提供更多容量和灵活性，同时降低系统运营费用（OPEX）。增加容量的最简单方法，是增加网络中的基地台数量。然而，由于这种方法会产生高昂的用地和能源消耗成本，因此接受度十分有限。一种更省时省力的方法，是使用大量具有幅度和相位控制的TX和RX天线组件，也就是发射端与接收端，这些被称为大规模MIMO系统（Massive MIMO）。有多种方法可以操作此类系统，它们可用于透过空间重复使用来允许多个预编码数据流，或透过波束成形技术，以及两者组合等方式来增加增益。

在现有的6GHz以下频谱中，基地台通常应用大量TX与RX天线组件，来为多个用户提供并行数据流服务，这就是多用户MIMO（MU-MIMO）。相比之下，厘米波和毫米波频谱中的高路径损耗衰减，需要更高的天线增益，这是透过应用动态波束成形来实现的。MU-MIMO和波束成形等技术都可以在不需要额外基地台的情况下，增加小区域的传输容量。

OTA测试挑战

 
图一 : 在NR中，3GPP规范了两个分离的频谱，FR1和FR2。在FR1中，一般可能会使用导电测试。但是FR2就必须被迫使用OTA。

在设计大规模MIMO天线系统时，开发工程师面临新的挑战，包括功率放大器（PA）的热效应和模块之间的频率漂移，这些都会影响所需的波束图形。在天线系统中，收发器前端与天线数组整合在一起，这意味着无法再使用传统的RF输出接口。此外，光纤接口也取代了传统RF输入接口。因此，空口测试（Over The Air；OTA）成为大规模MIMO系统的惯用的测试方式，也用于对传播信道的空间特性进行建模。由于大规模MIMO系统的大小不同，因此远场条件下的测试需要多种屏蔽环境。

对于无线通信系统，用户设备测试在本质上是传导测量。即使在组件端，RF连接器也可用于测量RF性能。此类指针可分为TX性能参数（例如功率电平、EVM质量或频谱发射）和RX性能参数（例如接收器灵敏度和选择性）。天线在整体传输性能中也起到了至关重要的作用。

由于芯片组和天线的整合度不断提高，以及毫米波范围内使用了更高的频率，芯片组测试、RF测试和天线特性之间的界限变得模糊。高度整合的天线不再允许对芯片组和天线进行隔离测试。在FR2的高频波段中，透过电缆连接器的方式不再可行。缩小组件尺寸只会产生很小的影响。相较之下，会产生成本和其他问题相关的重大挑战，例如路径衰减、连接器之间的RF匹配，以及连接设置对弯曲的敏感性。测试设置变化的主要原因在于使用者设备（UE）中引入了定向天线。因此，波束成形不再是仅在基地台中才能找到的功能，为此必须创建一个新的测量场域。

比较起时间度量（例如功率与时间）、频谱度量（例如频谱发射掩模）和代码域度量（例如代码域功率），基于空间域的度量变得很重要。球面辐射方向图和球面接收器特性等术语，在测试与测量产业中已经司空见惯。天线在无线通信系统中发挥了举足轻重的作用。现代通信技术使用复杂的方法，例如天线、硬件整合、主动式组件和定向天线等。尤其是在5G NR中的毫米波频率范围（FR2）等更高频率下，由于天线尺寸、电缆成本和设置复杂性，以及弯曲或不匹配的脆弱性，传统透过缆线来进行DUT测量的方式不再可行。我们甚至可以说，测试的方式发生了典范式的改变。由于导入了定向天线，因此必须在空间域中进行测量，OTA空口测试是必须采用的方法。

OTA测试的重要性

 
图二 : OTA已是5G天线测试不可或缺的步骤。图为OTA测试设备。（source：R&S.com）

为什么OTA成为5G NR中的一个大挑战？在5G NR中，3GPP规范中规定了两个分离的频谱。一个是FR1（低于6GHz），另一个是FR2（毫米波）。在FR1中，一般可能会像使用 2G、3G、4G技术一样继续进行导电测试。但是，在FR2中，就必须被迫使用OTA。这其中牵涉到以下几个原因。

复杂性
在FR2中，几乎可以肯定将会使用某种类型的数组天线（大规模MIMO）。这意味着设备上将有很多天线。如果想进行导电测试，则必须连接数量庞大且复杂的线路，而如果使用OTA，则可以更为简洁快速的测试。基于测试的时间与成本等考虑，采用OTA是最好的方案。

空间不足
有许多理由都必须使用OTA，尽管电缆连接已经够复杂了，但测试工程师仍将面临另一个严重的问题。即使天线数组中有许多天线组件，天线模块的整个尺寸在毫米波频率下也不够大，无法容纳所有电缆连接器。

成本
假设测试中必须使用导电测试，尽管已经存在所有复杂性和空间问题，但在这种情况下，导电测试也存在其他问题。在大多数常规测试中，可能使用了低成本的SMA连接器和电缆。但是，却无法在毫米波中使用SMA类型的连接器或电缆来进行准确测量。如果频率更高，这时候便需要K连接器或更特殊的连接器和电缆（例如V连接器)。这些类型的特殊连接器和电缆的成本远高于那些SMA缆线。如果将来需要使用非常高的频率（例如超过60GHz），透过OTA会是更好的方法。

测量的物理性质
即使克服了上述所有问题，由于测量本身的性质，某些类型的测量也需要OTA。例如，如果要检测天线数组形成的波束方向，就必须依靠OTA测量。尽管可能仍然可以透过导电测试来做到这一点。从理论上讲，可以将来自每个天线组件路径的所有信号降低到基频带，并透过基频来确定波束方向（和波束的其他性质），理论上这是可能的。但是如果有像OTA测试这样相对简单的方法，就应该要选择OTA测试。

结语
5G NR技术推动了对新测试方法的需求。随着更灵活的参数集、更复杂的波形和信道编码技术、并扩展到毫米波频率、更宽的信道带宽，以及先进的多天线访问机制都在5G装置中实现，设计人员也必须存取协议堆栈的多个层级，以充分测试传输速率和波束成形效能。此外，对OTA测试解决方案的需求也使情况更加复杂化。对于测试业者来说，在早期阶段与产业领导者合作，有助于厘清5G NR的复杂性，并进而开发涵盖整个工作流程的测试解决方案。