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5G技術(shù)定義了三大典型的應(yīng)用場景，即增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶（EMBB：Enhanced Mobile Broadband）、海量機(jī)器類型通信 （massive Machine Type Communications：mMTC） 和超高可靠低延遲通信 （Ultra-Reliable & Low Latency Communications：URLLC）。為了增加小區(qū)容量，5G采用大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）技術(shù)，利用MIMO（Multiple-in-Multiple-out）和波束賦形的技術(shù)。當(dāng)前的4G系統(tǒng)使用單用戶MIMO，用戶設(shè)備 （user equipment：UE） 計(jì)算逆信道矩陣以提取分離的數(shù)據(jù)流。5G采用了多用戶MIMO技術(shù)，能夠給不同的用戶發(fā)送不同的功率等級(jí)，從而更加靈活地分配信道資源。此外，結(jié)合波束賦形技術(shù)，多用戶MIMO可以通過給單獨(dú)UE發(fā)送具有較強(qiáng)指向性的信號(hào)來降低系統(tǒng)功耗。

5G OTA測試挑戰(zhàn)

眾所周知，MIMO和波束賦形的技術(shù)都離不開天線陣列。如今，天線陣列的陣子達(dá)到了上百甚至上千個(gè)。由于大規(guī)模天線陣的設(shè)計(jì)，研發(fā)和生產(chǎn)過程中，天線方向圖，射頻指標(biāo)等參數(shù)是天線陣的重要考察指標(biāo)，因此OTA（Over-the-air）測試是研究天線陣性能的主要方法。天線陣子數(shù)量的增加提高了通信系統(tǒng)復(fù)雜性，這對(duì)天線陣性能評(píng)估提出了新的要求，面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點(diǎn)。

首先，隨著頻率的提高，設(shè)備的射頻前端和天線陣子高度集成化，由于待測件可能不存在測試接口，以往能夠通過傳導(dǎo)法進(jìn)行的測試項(xiàng)目（如發(fā)射機(jī)和接收機(jī)項(xiàng)目）需要通過空口方式進(jìn)行。其次，由于毫米波頻段的空間損耗與線損相比傳統(tǒng)通信低頻的損耗要高許多，這會(huì)影響測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，從而影響測試項(xiàng)目的可行性，測試精度等一系列參數(shù)。因此，如何提高測試環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍是個(gè)難點(diǎn)，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中需要著重考慮的方面?？傮w來講，OTA將滲透到產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的各個(gè)階段。

OTA系統(tǒng)解決方案

羅德與施瓦茨提供交鑰匙的天線和OTA系統(tǒng)測試解決方案，暗室類型包括直接遠(yuǎn)場、近場、平面波轉(zhuǎn)換器和金屬反射面緊縮場等。

毫米波終端研發(fā)與預(yù)一致性測量方案：R&S?ATS1000測試系統(tǒng)

R&S?ATS1000測試系統(tǒng)是根據(jù)3GPP測試規(guī)范設(shè)計(jì)的白盒測試方案 [1]。R&S?ATS1000能夠幫助研發(fā)人員和產(chǎn)線工程師對(duì)天線模塊、收發(fā)器、芯片組和無線設(shè)備進(jìn)行OTA測量。結(jié)合相關(guān)的測試設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)可以在18 GHz到90 GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測試，可以覆蓋目前5G所關(guān)注的所有毫米波頻段。

R&S?ATS1000暗室主要由RF屏蔽室、吸波材料、高精度3D轉(zhuǎn)臺(tái)、天線搖臂以及覆蓋整個(gè)頻率范圍的測量天線構(gòu)成。暗室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分緊湊，高度為2米，占地面積不到1.5平米，是市面上占地面積最小、帶有3D高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的毫米波直接遠(yuǎn)場測試暗室之一。此外，暗室底部裝有萬向腳輪，用戶可以輕松地將暗室推到合適的位置，并且在需要的時(shí)候?qū)凳乙苿?dòng)位置，豐富了系統(tǒng)的靈活性。另外，暗室頂部和側(cè)方的激光定位器有利于精確控制待測件的擺放位置。因?yàn)楦鶕?jù)白盒的測試定義，需要將待測天線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺(tái)中心，以達(dá)到最佳的測量精度?？傊?，R&S?ATS1000測試系統(tǒng)是一套快速，準(zhǔn)確，可重復(fù)性強(qiáng)測試環(huán)境。

R&S?AMS32是暗室自動(dòng)化控制軟件，R&S?ATS1000結(jié)合相關(guān)測試設(shè)備可以在幾分鐘內(nèi)完成5G天線陣列的輻射方向圖的精確測量。此外，通過結(jié)合R&S?ATS1000與R&S?TS8980測試系統(tǒng)，用戶可以從OTA的測量中得到相關(guān)的RF參數(shù)（例如：功率，ACLR和EVM）。

由于毫米波待測件沒有射頻口，高低溫測試也需要在OTA的環(huán)境下進(jìn)行。然而加熱整個(gè)暗室非常困難，一方面由于暗室內(nèi)的吸波材料無法承受較高的溫度;另一方面，溫度的變化將會(huì)影響暗室轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械精度與使用壽命。因此需要在暗室內(nèi)部建立一個(gè)溫度箱，DUT在溫度箱內(nèi)，并且箱體內(nèi)的維度可以控制。當(dāng)然高低溫箱需要具有較好的透波性能來低限度的減少對(duì)待測件射頻性能的影響。但是，在高低溫箱存在的情況下進(jìn)行3D的采樣測試是個(gè)難點(diǎn)。R&S?ATS1000暗室系統(tǒng)較好的解決了這個(gè)問題。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)溫度罩將待測件及轉(zhuǎn)臺(tái)完全包裹住，溫度罩連接到暗室外的壓縮機(jī)，能夠保證溫度罩內(nèi)的溫度從-40°到85°快速變化。這樣設(shè)計(jì)的好處在于，第一，暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)和搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不受溫控箱影響，系統(tǒng)仍然可以進(jìn)行3D方向圖測試，解決了大部分帶溫控箱的暗室只能進(jìn)行單點(diǎn)或者二維測試的難題;第二，溫度罩的材料為透波低損耗材料，而且能夠?qū)囟扔行У乜刂圃贒UT周圍而不會(huì)影響到暗室外部其他部分，如吸波材料和轉(zhuǎn)臺(tái)。

毫米波終端一致性測量方案：R&S?ATS1800C緊縮場測試系統(tǒng)

OTA的遠(yuǎn)場距離公式為R=2D2/λ定義，其中D是最大天線口徑或尺寸，λ為對(duì)應(yīng)頻率的波長[2]。由公式可知，毫米波終端所需的遠(yuǎn)場距離較遠(yuǎn)。舉例來說，一個(gè)工作在28 GHz，對(duì)尺寸為15 cm的終端做整機(jī)測試時(shí)，其遠(yuǎn)場距離為4.2m。這個(gè)距離采用直接遠(yuǎn)場法會(huì)導(dǎo)致很高的損耗，因此3GPP中將整機(jī)一致性（包括射頻和協(xié)議）的測試場型定位緊縮場[1]。

R&S?ATS1800C是羅德與施瓦茨提供的緊縮場測試方案，暗室提供30cm的靜區(qū)，能夠支持3GPP要求的黑盒測試。此外，結(jié)合相關(guān)的測試設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)支持3GPP所要求的帶內(nèi)與帶外的測試評(píng)估要求。另外，配合高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，系統(tǒng)能夠支持認(rèn)證測試中的頭、手模型，是目前市場上最早支持該模型的暗室系統(tǒng)。R&S?ATS1800C與R&S?ATS1000外形結(jié)構(gòu)類似，是市場上占地面積最小、帶有3D高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、擁有30cm靜區(qū)、支持頭手模型、高低溫測試的毫米波緊縮場測試暗室之一。

OTA系統(tǒng)將通過R&S?Contest實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，通過結(jié)合R&S?ATS1800C與R&S?TS8980測試系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)3GPP的測試用例進(jìn)行一致性測試?？傊?，R&S?ATS1800C測試系統(tǒng)是一套快速，準(zhǔn)確，可重復(fù)性強(qiáng)測試環(huán)境。

小結(jié)

天線陣列在5G通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。天線陣在研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段需要完備的測試設(shè)備對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。OTA測試是表征大規(guī)模MIMO陣列和內(nèi)部收發(fā)器性能的必要手段。這將會(huì)推動(dòng)OTA暗室和測量設(shè)備跟新迭代，以便滿足測量天線輻射特性和收發(fā)器性能的要求。羅德與施瓦茨擁有OTA測試完整的解決方案以及大量相關(guān)領(lǐng)域的測試經(jīng)驗(yàn)，可以滿足5G毫米波終端的測試需求。