毫米波OTA测试概念及定义

2021-04-30 15:27:12      点击:

一.  毫米波概述


毫米波是指波长工作在1mmto 10mm的电磁波频段,其对应的频率为30GHz到300GHz。毫米波在5G技术使用的空口频段,也就是国际组织3GPP定义的频率范围为24.25GHz-52.6GHz的FR2频段,也称为5G毫米波频段。
毫米波具有很鲜明的优势,同时又具有很明显的劣势。优点是根据无线电波的物理特性,以及香农定理。毫米波可以分配很大的带宽,直接有效的提高信道容量,传输速度得以增强,同时它的缺点是传输损耗大,绕射衍射能力差,因此造成覆盖区域小。因此业界主要观点都认为5G毫米波将主要应用于近距离传输,以其大带宽特性满足热点高容量和室内覆盖需求,如固定无线接入(最后1 km),热点地区的扩容等场景。
现阶段国际产业链及运营商当前重点是24.5~27.5GHz、31.8~33.4GHz及37~43.5GHz。(图1所示)


全球主要国家和地区均对毫米波频谱资源做了战略规划,其中美国于2018年11月15日开始进行28GHz的频谱拍卖,韩国于2019年6月完成了5G频谱拍卖。我国工信部批复了24.75~27.5GHz及37~42.5 GHz为我国毫米波的主力试验研发频段。我国工信部还在5G第二阶段试验开展了高频系统测试,各个设备商都参与其中,主要测试频段集中在26 GHz。


二.  毫米波在OTA测试中的测试场景


由于毫米波被测设备集成度高的特点,无法保留射频传导口,因此LTE以及之前普通的传导测试方法将无法满足毫米波的测试需求。


根据测试需求的难易程度,第一种为静态测试,也就是锁住被测设备的波束赋形能力,在静态情况下完成各种测试指标,如EIRP/EIS/TRP/TIS等。测试手段主要集中在直接远场、间接远场和近场,下一章节会有详细说明。


在第一种测试场景下,需要考虑的主要测试特点为测试时间、测试精度、测试的简单便捷行。


第二种为动态能力测试,也就是被测物处于被设置好的可控的测试环境下,对它的发射性能、接收性能、捕捉性能、快速切换性能进行测试。换句话说,也就是在实验室设置多种模拟现实使用情况的测试环境,对被测物进行全面评估。


第三种测试场景:搭建同时可以评估基站和终端的双向测试环境,引入模拟现实环境特点的可控的信道模型,来对整个上下行链路同时进行评估。


为了实现以上三种测试场景,我们需要根据他们不同的特点,来选择搭建灵活高效的实验室环境。同时要考虑测试系统的复杂度、稳定性、兼容性、设备利用率、维护难易等特点。ETS-Lindgren在OTA测试领域多年的深耕以及深厚的技术储备,积攒了大量的实际测试经验和具备测试先进性探索能力。我们呼吁测试标准的制定应该全面考虑测试环境的可实现性、低系统不确定度、高稳定性、设备高利用率,以及维护成本可接受度等特点。从而避免陷入搭建一套系统满足所有测试需求的不科学认知。


三.  暗室测试方法


目前国际标准定义的5G 毫米波OTA测试方法有:直接远场(DirectFar Field, DFF)、间接远场(Indirect Far Field, IFF)、近场转换远场(Near Field To Far-field, NFTF)。
测试方法定义根据测量距离区分。在传统远场电波暗室中,根据22.5度相位原则,最小远场测量距离R 需要基于远场公式计算:图片,其中D 为待测物(DeviceUnder Test, DUT)辐射部分的最小直径大小。在不同天线尺寸和频率的近/远场边界如下:


Near field/far field boundary for differentfrequencies and antenna sizes for a traditional far field anechoic chamber

直接远场(DirectFar Field, DFF) 测试测试方法距离满足图片。使用直接远场测试时,DUT和测量天线不受耦合影响,理论上是非常好的方法。但是从上表可以看到,当DUT尺寸越大,要求的测量距离越远,损耗越大,测试难度越大,不确定性增加,造成暗室建造成本非常高。


Centre of beam measurement setup of UE RFcharacteristics

间接远场(Indirect Far Field, IFF) IFF一种方法是使用反射面实现球面波到平面波的转换,这也叫紧缩场天线测试方法(Compact Antenna Test Range, CATR).CATR不需要满足远场距离(图片)就可以实现标准远场条件下的平面波,如下表所示。所以成本上来说,相对直接远场减少很多。但是CATR测量精度主要由反射面天线、测量天线、暗室结构等影响,设计要求高,难度大。

Near field/far field boundary for differentfrequencies and antenna sizes for a traditional far field anechoic chamber

Example of CATR path losses

近场转换远场(NearField To Far-field, NFTF) NFTF方法是直接在近场测试,利用相位参考信号,再使用傅里叶变换,把近场幅度和相位转换为远场来计算远场中定义的测试结果。

Typical NFTF measurement setup of EIRP/TRPmeasurements

在近场测试时,由于被测天线(Antenna under Test,AUT)和测量天线(TestAntenna, TA) 距离近,所以AUT和TA之间有耦合,为了满足测试结果高准确度,需要高密度采样,从而造成测试速度很慢。并且近场测试方法无法满足EVM,BER,BLER, throuhput等指标的测试。

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