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5G訊號當道 OTA測試關鍵任務
毫米波高頻測試

【作者: 王岫晨】   2021年12月24日 星期五

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從現在到2030年,5G將持續保有世界上最重要的蜂窩技術的主導地位。在接下來的10年裡,原始設備製造商必須不斷創新,以便他們能夠繼續滿足對更快、更廣泛和更可靠連接的需求。憑藉更快的速度和超低延遲,新的5G無線電網絡已經在許多應用市場中運作,包括汽車、工業、醫療和國防等。


5G帶來的改變

5G無線電網路帶來了主要的頻域挑戰和架構變化。5G頻率範圍包括低頻段(低於6 GHz)和高頻段毫米波(24 GHz至100 GHz範圍)。電路架構的挑戰在於在管理系統級電源的同時,還增加了網路上的通道數量。


與4G系統相比,5G系統速度快上數百倍,延遲降低10倍,網路密度更高,可支持數十億台設備。例如,透過4G下載一部高清電影需要幾十分鐘,而透過5G下載只需幾秒鐘。4G系統的延遲在50到200毫秒之間,接近人類視覺刺激反應的250毫秒。但使用5G,延遲降至1毫秒。儘管如此,增加的速度和額外的設備及用戶的組合,也大幅地影響了系統功率。


在5G網路中,需要提供更多容量和靈活性,同時降低系統運營費用(OPEX)。增加容量的最簡單方法,是增加網路中的基地台數量。然而,由於這種方法會產生高昂的用地和能源消耗成本,因此接受度十分有限。一種更省時省力的方法,是使用大量具有幅度和相位控制的TX和RX天線元件,也就是發射端與接收端,這些被稱為大規模MIMO系統(Massive MIMO)。有多種方法可以操作此類系統,它們可用於透過空間重複使用來允許多個預編碼數據流,或透過波束成形技術,以及兩者組合等方式來增加增益。


在現有的6GHz以下頻譜中,基地台通常應用大量TX與RX天線元件,來為多個用戶提供並行數據流服務,這就是多用戶MIMO(MU-MIMO)。相比之下,厘米波和毫米波頻譜中的高路徑損耗衰減,需要更高的天線增益,這是透過應用動態波束成形來實現的。MU-MIMO和波束成形等技術都可以在不需要額外基地台的情況下,增加小區域的傳輸容量。


OTA測試挑戰


圖一 : 在NR中,3GPP規範了兩個分離的頻譜,FR1和FR2。在FR1中,一般可能會使用導電測試。但是FR2就必須被迫使用OTA。
圖一 : 在NR中,3GPP規範了兩個分離的頻譜,FR1和FR2。在FR1中,一般可能會使用導電測試。但是FR2就必須被迫使用OTA。

在設計大規模MIMO天線系統時,開發工程師面臨新的挑戰,包括功率放大器(PA)的熱效應和模組之間的頻率漂移,這些都會影響所需的波束圖形。在天線系統中,收發器前端與天線陣列整合在一起,這意味著無法再使用傳統的RF輸出接口。此外,光纖接口也取代了傳統RF輸入接口。因此,空口測試(Over The Air;OTA)成為大規模MIMO系統的慣用的測試方式,也用於對傳播信道的空間特性進行建模。由於大規模MIMO系統的大小不同,因此遠場條件下的測試需要多種屏蔽環境。


對於無線通信系統,用戶設備測試在本質上是傳導測量。即使在元件端,RF連接器也可用於測量RF性能。此類指標可分為TX性能參數(例如功率電平、EVM質量或頻譜發射)和RX性能參數(例如接收器靈敏度和選擇性)。天線在整體傳輸性能中也起到了至關重要的作用。


由於晶片組和天線的整合度不斷提高,以及毫米波範圍內使用了更高的頻率,晶片組測試、RF測試和天線特性之間的界限變得模糊。高度整合的天線不再允許對晶片組和天線進行隔離測試。在FR2的高頻波段中,透過電纜連接器的方式不再可行。縮小元件尺寸只會產生很小的影響。相較之下,會產生成本和其他問題相關的重大挑戰,例如路徑衰減、連接器之間的RF匹配,以及連接設置對彎曲的敏感性。測試設置變化的主要原因在於使用者設備(UE)中引入了定向天線。因此,波束成形不再是僅在基地台中才能找到的功能,為此必須創建一個新的測量場域。


比較起時間度量(例如功率與時間)、頻譜度量(例如頻譜發射掩模)和代碼域度量(例如代碼域功率),基於空間域的度量變得很重要。球面輻射方向圖和球面接收器特性等術語,在測試與測量產業中已經司空見慣。天線在無線通信系統中發揮了舉足輕重的作用。現代通信技術使用複雜的方法,例如天線、硬體整合、主動式元件和定向天線等。尤其是在5G NR中的毫米波頻率範圍(FR2)等更高頻率下,由於天線尺寸、電纜成本和設置複雜性,以及彎曲或不匹配的脆弱性,傳統透過纜線來進行DUT測量的方式不再可行。我們甚至可以說,測試的方式發生了典範式的改變。由於導入了定向天線,因此必須在空間域中進行測量,OTA空口測試是必須採用的方法。


OTA測試的重要性


圖二 : OTA已是5G天線測試不可或缺的步驟。圖為OTA測試設備。(source:R&S.com)
圖二 : OTA已是5G天線測試不可或缺的步驟。圖為OTA測試設備。(source:R&S.com)

為什麼OTA成為5G NR中的一個大挑戰?在5G NR中,3GPP規範中規定了兩個分離的頻譜。一個是FR1(低於6GHz),另一個是FR2(毫米波)。在FR1中,一般可能會像使用 2G、3G、4G技術一樣繼續進行導電測試。但是,在FR2中,就必須被迫使用OTA。這其中牽涉到以下幾個原因。


複雜性

在FR2中,幾乎可以肯定將會使用某種類型的陣列天線(大規模MIMO)。這意味著設備上將有很多天線。如果想進行導電測試,則必須連接數量龐大且複雜的線路,而如果使用OTA,則可以更為簡潔快速的測試。基於測試的時間與成本等考量,採用OTA是最好的方案。


空間不足

有許多理由都必須使用OTA,儘管電纜連接已經夠複雜了,但測試工程師仍將面臨另一個嚴重的問題。即使天線陣列中有許多天線元件,天線模組的整個尺寸在毫米波頻率下也不夠大,無法容納所有電纜連接器。


成本

假設測試中必須使用導電測試,儘管已經存在所有復雜性和空間問題,但在這種情況下,導電測試也存在其他問題。在大多數常規測試中,可能使用了低成本的SMA連接器和電纜。但是,卻無法在毫米波中使用SMA類型的連接器或電纜來進行準確測量。如果頻率更高,這時候便需要K連接器或更特殊的連接器和電纜(例如V連接器)。這些類型的特殊連接器和電纜的成本遠高於那些SMA纜線。如果將來需要使用非常高的頻率(例如超過60GHz),透過OTA會是更好的方法。


測量的物理性質

即使克服了上述所有問題,由於測量本身的性質,某些類型的測量也需要OTA。例如,如果要檢測天線陣列形成的波束方向,就必須依靠OTA測量。儘管可能仍然可以透過導電測試來做到這一點。從理論上講,可以將來自每個天線元件路徑的所有信號降低到基頻帶,並透過基頻來確定波束方向(和波束的其他性質),理論上這是可能的。但是如果有像OTA測試這樣相對簡單的方法,就應該要選擇OTA測試。


結語

5G NR技術推動了對新測試方法的需求。隨著更靈活的參數集、更複雜的波形和通道編碼技術、並擴展到毫米波頻率、更寬的通道頻寬,以及先進的多天線存取機制都在5G裝置中實現,設計人員也必須存取協定堆疊的多個層級,以充分測試傳輸速率和波束成形效能。此外,對OTA測試解決方案的需求也使情況更加複雜化。對於測試業者來說,在早期階段與產業領導者合作,有助於釐清5G NR的複雜性,並進而開發涵蓋整個工作流程的測試解決方案。


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