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快速的毫米波OTA测试

Su-Wei Chang, Ethan Lin, Andrew Wu and Jackrose Kuo, TMY Technology Inc. (TMYTEK)

相控阵列天线聚集了许多天线单元，形成一个大型阵列，利用波束赋形来增加定向增益，等效全向辐射功率（EIRP）表征相控阵列在某个指定方向的功率。定向增益可以补偿信号衰减，使应用能够受益于毫米波的高带宽和低延迟。因此，相控阵已被广泛用于5G和卫星通信，通过波束赋形和波束转向技术实现MIMO、多用户MIMO（MU-MIMO）和大规模MIMO（mMIMO）架构，以增加网络容量并改善用户体验。

为了最大限度地减小尺寸并实现最佳性能，许多系统采用了紧凑的封装天线（AiP）架构，其中相控阵天线和波束赋形器、功率放大器和升降频器等部件都是集成的（见图1）。测试毫米波AiP系统的唯一方法是，因为AiP系统是一个单一的紧凑型封装，有许多射频通道，在天线单元上没有射频连接器。波束转向是效能成功的一个关键因素。为保证波束转向性能，OTA测试必须评估AiP的特性，如辐射图和各单元的相对增益和相位。

图1 AiP系统结构。

传统的OTA测试方式

随着5G和卫星通信的广泛应用，更多的系统和设备正在向毫米波发展。根据系统架构和天线结构，这些应用的设备具有不同的尺寸和形状；天线系统的OTA测量需要一个测试暗室，暗室的大小取决于设备的尺寸。对于5G系统，3GPP定义了几个测量选项：

远场测量选项

3GPP TR 38.810规范定义了直接远场（DFF）技术，该技术需要一个最小测量距离（见图2），来自信号源的球面波被转化为平面波用于辐射图测量。根据AiP模块的直径和工作波长，DFF方法通常需要更大的暗室。例如，一个天线尺寸为15厘米的28 GHz设备需要一个4.2米的暗室来实现远场测量。暗室越大，成本越高，占用空间越大，暗室内的机械操作也会增加测试时间。

图2 直接远场测试装置。

紧凑型天线测试（CATR）使用间接远场（IFF）方法来减小暗室的尺寸（见图3）。CATR系统使用抛物线反射器将来自馈电喇叭的波平行化，以创造一个远场的测试环境。虽然被测设备（DUT）和馈电天线之间的距离基本减半，但整个CATR系统仍然需要一个尺寸很大的暗室。除了尺寸外，CATR的设置还延长了测量时间，通常需要10到20分钟。

图3 使用CATR的间接远场测试装置。

为了测量三维球体的辐射图，传统的DFF和CATR测试方法包括在方位角和仰角旋转被测物以进行完整的辐射图测量。这需要将被测物安装在由电动马达驱动的旋转台上，通常需要几十分钟到几个小时才能产生完整的三维天线辐射图——有可能出现干扰或由马达引起的其他限制。

喇叭天线测量

使用喇叭天线测试AiP对于大规模生产测试来说更快、更有成本效益（见图4）。然而，它只能测量固定角度的总辐射峰值功率。即使有三个喇叭系统，每个喇叭都在不同的位置，测试角度和尺寸也是有限的。由于AiP是一个有许多天线单元的相控阵，每个单元都有可配置的增益和相位，只测量几个方向的增益会产生评估天线辐射图和保证AiP系统性能的不确定性。

图4 使用喇叭天线进行OTA测试。

OTA测试需要一个稳定和良好的校准的测试环境。如前所述，现有的基于暗室的测试方案可以提供全面的测量，但暗室很笨重，成本很高，而且测试很耗时。转盘的旋转速度很慢，容易受到干扰，而且可能受到转向限制。这对生产线来说没有意义。虽然喇叭天线测试方法在生产中被广泛采用，但评估AiP的测试复盖率是一个重要的突破口。

创新的OTA测试解决方案

为了解决这些问题，开发了一种相控阵天线测试方法，它速度快，占地小，能同时测量功率和相位。由于天线辐射图是相控阵天线的关键元素，识别天线单元之间的任何增益损失或相位差异是非常重要的，而传统的测试方法无法在生产中有效地执行这一环节。

TMYTEK的XBeam系统有两个版本，可在10秒内扫描2D和3D的天线辐射图——比其他商业测试方法快100倍。它结构紧凑，完全电子化，没有电机限制测量或造成干扰。小尺寸的设计使它很容易集成其他测试元件（如处理机），其应用编程接口（API）和驱动程序支持与现有测试程序配置的集成。使用TMYTEK的器可以使用6GHz以下的分析仪，无需使用毫米波仪器。创新的硬件和软件设计使该系统能够有效的优化总拥有成本（TCO）。

XBeam 2D

XBeam 2D是XBeam系列中更经济的版本，适用于生产线测试（见图5）。它通常用于移动电话或用户端设备中使用的小型阵列，也支持对较大的阵列进行2D测试，如5G无线电装置和卫星通信终端。XBeam 2D接收并分析一截波束，在1秒内生成一个±50度的2D图案。辐射图案被数字化，射频功率数据可通过以太网接口检索。为了测量其他射频参数，如误差矢量幅度（EVM），XBeam 2D可以通过一个2.92毫米连接器连接到频谱分析仪或通用自动测试仪。盒子的尺寸为30×15×8厘米。

图5 XBeam 2D测试系统。

为了确认XBeam 2D的测量质量，TMYTEK使用波束赋形开发工具BBox，在相同条件下对XBeam 2D与CATR进行了测试和比较。结果（见图6）显示，无论波束是在轴向还是偏移到一个转向角度，峰值增益和辐射图都很相似，有时甚至相等。这些数据证实了XBeam 2D的测量方法和结果与CATR取得的结果一致。

图6 辐射图测量比较：XBeam 2D与CATR。

AiP的一个关键特征是波束转向，它必须设有一个基线，让所有单元或通道的增益和相位相等。OTA测量系统应能检测到各通道之间的变化，这可能表明出现故障或需要进行系统校准。为了说明XBeam 2D识别此类问题的能力，对一个1×4通道的AiP模块进行了测量，特意将通道1和2调整为低3.5dB的增益和-60度的相位偏移，以模拟一个缺陷。图7显示了测量结果，比较了相同测试条件下的故障和良好部分。一个单喇叭测量系统，只测量0度的峰值增益，无法筛选出无功能的部件。通过进行完整的2D辐射图扫描，可以注意到通道功率较低时的增益差异，并确定具体的通道。在相位偏移的情况下，波束已经明显偏移，AiP单元可以被测试系统标记出来。

图7 显示低增益和相位偏移效应的测量结果。

TMYTEK XBeam 3D

XBeam 3D将测量能力扩展了二维，即方位角和仰角。该系统包括一个专门设计的屏蔽箱和TMYTEK BBox无线电探测头，装在一个50×50×50厘米的测试立方体中（见图8）。这个第一代模块可在10秒内对28GHz系统进行±50度的测试。

图8 XBeam 3D测试系统。

为XBeam开发的软件包括：

●        BeamPicasso

●        mmWatsonAiP模块

●        OTACaliOTA。

该软件可以将参数测量转化为可视化位图（见图9）。逐件校准和统计分析使数据库成熟，提高了准确和快速识别缺陷的能力。

图9 由软件引擎生成的参数图。

为了进一步提高能力和灵活性，支持流行的无线测试器驱动程序的处理机接口使XBeam 3D能够在大规模生产测试系统中实现完全自动化。图10显示了XBeam 3D与一个自动测试仪集成的测试结果。在2秒内对三个波束角度的增益和EVM进行了测量，并对波束图案进行了实时分析，以确定故障，因此可以对有缺陷的部件进行标记。高测试速度使测量数据得以收集并输入数据库，用于人工智能（AI）建模和智能分析，例如，将生产批次与阵列单元的特性联系起来。实时处理提高了生产效率，并向设计工程团队提供反馈。

图10 XBeam 3D与自动测试仪集成的演示测量。

与XBeam 2D一样，3D立方体可以根据相同的测试方法进行定制，以测试具有不同外形尺寸和工作频率的不同模块。两个版本的XBeam都是软件驱动的，由人工智能驱动。表1总结了XBeam的2D和3D版本的能力，表2比较了XBeam与CATR和喇叭天线测试配置的能力。

表1：XBeam 3D 和 2D 比较图参考

表2：OTA 测试配置能力比较图参考

总结

AiP是毫米波系统和设备的关键架构，XBeam 2D和3D测试方案提供了测试这些系统的全面解决方案。它们能以生产环境所需的效率评估系统性能：天线辐射图、EIRP、EVM。测试时间通常比传统方法快100倍。通过升频和降频，XBeam系列可与6GHz以下的测量仪器连接，进一步降低总拥有成本。XBeam测试模块结构紧凑，兼容生产处理机，人工智能驱动的系统软件有助于深入了解AiP的性能。