本文作者:捷普营运副总裁 张海滨
在无线公司、科技初创公司和移动服务供应商在5G网络领域数百万亿美元投资的推动下,5G技术得到了快速发展,但仍处于初级阶段,5G的相关技术支持——例如5G空口辐射(OTA)测试,也处于探索与开发阶段。
5G技术分为三个频段,其中最具创新性且需求量最大的5G频谱为其最高频段,即毫米波(mmWave)频段。毫米波的波长较短,尽管在地域上仅限于城区或无线电收发设备附近的区域,但却可以向终端用户提供高达数千兆的传输速率,实现闪电般的5G速度,有望为无线连接新应用(或“杀手级应用”)打开新世界的大门。
至于5G网络连接,尤其是在毫米级波频段,采用的都是大规模多输入、多输出(MIMO)天线技术。毫米波频段(24至42GHz)的信号尽管容易很快被空气吸收,但大规模MIMO技术是通过在无线电收发设备上布设多个收发器,在基站和用户设备(UE)(如智能手机或其他物联网设备)之间形成一个或多个波束,可以有效克服高信号损耗。同时,大规模MIMO技术通过多个发射器发射相同信号,产生更长、更强、更集中的波束,让波束赋形技术成为可能,一个波束可以覆盖多台用户设备,并且波束间频谱可以复用,这一过程就好比将聚光灯打到舞台上的表演者身上一样,有助于将网络信号送达到特定设备,并减少信号衰退。
任何一项新的无线技术在向消费者或企业推出之前,都需要进行严格的测试。5G技术亦是如此,因此,我们需要通过模拟射频在现实应用过程中可能遇到的典型状况来验证其性能。
但是,无线技术越复杂,其测试也就越复杂。4G和4G LTE尚可以通过电缆与测试设备相连的方式进行性能测试,但却无法适用于5G毫米波。原因主要有三点,首先,考虑到毫米波的物理性质:信号通过空气传播和送达。其次,要想通过电缆对数百对收发器和接收器进行测试几乎是不可能的。此外,在毫米波基站的无线电收发设备上,收发器和天线集成在一个电路板上,并密集封装在一起,甚至没有连接测试电缆的空间。因而,对于5G毫米波的测试,我们往往需要采用不同类型的验证方式。
什么是5G空口辐射(OTA)测试?
为了验证5G无线电收发器或天线元件形成波束(波束赋形)和控制波束(波束控制)的能力,设计人员需要进行空口辐射(OTA)测试。在测试过程中,设计人员需要对波束图型进行二维或三维测量,确定它们的宽度、旁瓣电平、零陷深度和对称性,而这些数据通过传统的电缆测试无法实现。
所有新开发的5G设备在商业化之前都需要符合3GPP新规范,因此,使用OTA测试对这些设备进行检测则尤为必要,包括:
射频性能(信号强度)
调制解调(数据吞吐量)
无线电资源管理
制造工艺的校准和验证
根据新的5G NR标准,毫米波属于FR2频段,4G LTE属于FR1频段,FR2频段的测试比FR1频段的测试更具挑战性。4G LTE虽然也可通过OTA进行测试,但4G LTE设备的OTA测试要简单得多,通常采用MIMO模式,主要与无线电收发设备和信号接收设备(如智能手机)之间的空间关系有关。而5G NR (FR2) 的测试需要分析功率角谱相似百分比(PSP),或作为验证用户设备MIMO性能的方法之一。
OTA测试的目的是为了精确测量DUT的射频性能,就好比我们通过远场内的一个“完美通道”将被测设备与测量仪器直接相连,这样,只要DUT的射频性能出现下降,就只能归因于设计或制造缺陷。然而,在工程实验室中建立这样一个无干扰的OTA测试系统绝非易事,而在工厂这样的嘈杂生产环境中就更困难了。
OTA测试系统由四部分构成:一个用于固定被测设备(DUT)的定位器,一个或多个天线探头(置于DUT的远场内),一个与探头相连以产生/接收射频(RF)信号的测量仪器,以及一个消声室。消声室内部贴装非反射性吸收材料,外部采取屏蔽措施,防止外部因素干扰和影响测试。
OTA测试既可在近场(距离天线波束几个波长范围内的区域)完成,也可在远场(即弗朗霍法区域,两区的分界线为2D2/λ)完成。远场测试用于模拟真实的5G信号接收场景,即无线电信号从发射塔或小蜂窝发射到智能手机或物联网设备的过程。最精确的远场测试通常需要一定的空间,而这一点在工厂环境中很难得到保证。
5G空口辐射(OTA)测试仍然困难重重
作为一项能够实现日常通信、帮助企业运营、为数字医疗设备赋能的技术,5G网络无论是在工厂车间还是在蜂窝基站,都必须具备高可靠性和可复制性。
而如何确保这些无线电收发设备的生产和测试的一致性则成了设计师和工程师面临的最大挑战之一。在设计时,他们需要考虑制造工艺问题、设计好测试设备,防止在后期验证过程中出现意想不到的问题。
其次,典型的毫米波基站的无线电收发设备,其远场距离一般大于8米。在工厂内建造一个超大的、可以覆盖所需远场距离的OTA测试室,成本十分高昂。虽然采用基于反射器的紧缩天线测试场(CATR)能够缩短无线电收发设备的测试距离,但其成本高昂且不易安装。此外,无论是直接还是间接的远场测试室,每次测试都需要有人进入测试室,手动将DUT挂在定位器上,考虑到每周需要制造和测试成百上千的无线电收发设备,因而,这并非一个高效的测试系统。
最后,除工厂环境之外,无线电收发设备还会受安装位置的温度和气候影响。因此仅在温度可控的环境下进行测试并不能准确反映无线电收发设备在实际应用过程中的表现。
在这些挑战面前,5G无线设备的开发制造商最终需要解决的问题是:如何在控制环境的同时对5G辐射天线和无线电收发设备进行测试?对于这个问题,捷普给出的答案是:开发自己的测试解决方案。
独一无二的5G OTA温度测试
捷普团队在着手开发自己的5G OTA测试过程中,首先要解决的是温度的问题。5G无线电收发设备可能需要经历炎热的酷暑,也要经历凛冽的严寒。为了确保设备在极端高温和极端低温的环境下都能够正常工作,我们开发除了一个设计验证测试(DVT)室,该测试室可在﹣40℃(﹣40℉)到70℃(158℉)的温度范围内测试毫米波无线电,是业界首个面向5G基站设备的极端温度测试解决方案,可帮助行业原始设备制造商进行生产前的设计验证。
此外,我们还开发出了一个小于平均尺寸的生产验证测试(PVT)室,仅2米高、半米宽和1米长。与现有的OTA测试室相比,该测试室的设计更高效、也更方便用户使用。它的侧面内置了抽屉,操作人员可通过插入无线电收发设备,按下两个按钮,即可开始测试。值得注意的是,出于安全的考虑,我们建议操作人员用两只手关闭抽屉后,再按下启动按钮。
为应对5G OTA测试的另一项重大挑战,捷普正在开发一套更精确的解决方案并申请专利,该解决方案可以根据近场性能计算远场性能,而无需在工厂外进行测试。考虑到原始设备制造商可能既没时间也没场,不太可能在厂内的多个地点进行设备测试。因此,我们的开发的这套更精确的解决方案能够帮助他们提高无线电收发设备的性能,而无需花费更多资源进行额外验证。同时,捷普团队也正在扩展我们的OTA解决方案的适用范围,用以涵盖汽车行业的车载雷达测试。
随着5G技术潜力的增长,与之相关的支持技术也在随着时代的进步得到不断发展。从5G无线电收发设备和装置的开发到OTA验证,未来,捷普将不断创新,并将新的创意付诸实践。
OTA测试是5G无线电收发设备开发的最后一关
OTA测试是5G毫米波无线电收发设备实现商业化的最后一关,除此之外,没有其他方法可以验证它们的设计和性能。在产品投产前,原始设备制造商应尽可能在真实可控的场景下开展设计验证,最大限度减少浪费,并快速将无线电收发设备推向市场,迅速在5G市场中占得先机。
随着未来几年5G部署速度的加快,OTA测试需求必将大幅增长。解锁5G时代,顶尖的毫米波测试能力不可或缺。对此,您是否已经为5G互联互通做好准备了呢?
