作者：Günter Pfeifer and Benoit Derat, Rohde & Schwarz, Munich, Germany

注：本文由DeepL翻译并经人工粗审，如有疑问可查阅原文或联系编辑

摘要：5G通信已经支持以前所未有的商业规模部署毫米波天线阵列波束导向技术。按照3GPP¹和CTIA²的测试规范，具有5G毫米波功能的手机必须经过大量的测试，以保证足够的性能。定义的测量方法依赖于在紧凑型天线测试范围（CATR）中的远场空中（OTA）评估。由于温度会影响无线设备中的有源电子器件，因此也会影响波束赋形特性，根据3GPP测试规范，OTA测量也需要在-10℃至+55℃的温度条件下进行。对于这样的测试，需要创新地实现带有嵌入式热室的CATR，以满足一致性和合规性测试需求。

3GPP对移动设备或用户设备（UE）的射频一致性测试的要求，主要是为了避免出现会损害无线网络功能和性能的问题。直到4G和5G FR1（即频率低于7.125 GHz），所有3GPP一致性评估都是基于传导测量，通常是通过在被测设备（DUT）的天线端口连接射频电缆来实现。5G发生了一个重大变化，在毫米波频谱中增加了FR2频率范围（即FR2-1：24.25至52.6 GHz和FR2-2：52.6至71 GHz）。由于UE FR2天线是动态波束导向阵列，传导的方法变得无关紧要，因为DUT的整体性能与天线有内在的联系。此外，由于阵列和射频前端的高度集成，使得这种技术实际上不可能在适当的位置可靠地连接电缆。

OTA评估似乎是正确和最直接的测试方法，在暗室中的远场（FF）球形测量成为FR2 UE的各种测试的基础。由于UE可能很大（如手机、平板电脑或笔记本电脑），而且制造商不一定提供天线单元的确切位置，因此采用了所谓的黑箱方法，将整个DUT置于FF测量装置的静区（QZ）内。CATR被3GPP采纳为参考测试环境，因为它能够在一个有限的空间内提供一个大的QZ。

由于UE在不同的环境条件下使用，而温度会影响DUT中的有源电子器件，并影响波束赋形性能³，因此，在-10℃至+55℃的极端温度条件（ETC）下的球形OTA测量成为3GPP UE射频一致性测试规范的一部分。 

ETC要求

设计一个CATR，使DUT的双轴旋转，在ETC下进行精确的FF 3D测量，听起来很简单，但却是一个复杂的工程问题。如果考虑到快速测试的需要，即快速的温度上升，同时保护暗室和定位系统不因高温或低温而损坏，并保持暗室的屏蔽效果，其复杂性就会增加。结合3GPP的要求和典型的客户需求，可以得出以下关于ETC测试的CATR环境设计的限制：

·         定位系统方位角范围为0至360度，仰角范围为0至120度，不因空气管道或其他ETC对定位器的要求而减少

·         球形测量，设备温度为-10℃至+55℃（由3GPP定义），扩展温度范围为-40℃至+85℃（用于客户压力测试）

·         安装ETC解决方案后，DUT的最小尺寸为直径40厘米

·         在ETC测试中，30厘米直径的QZ，不确定性优于0.9分贝

·         箱体屏蔽>70分贝，不因空气注入管道而降低效果

·         DUT加热和冷却的时间尽可能短。

为了设计一个符合这套标准的系统，必须进行创新，这导致了许多复杂的细节来解决挑战，从而为最终ETC OTA解决方案的多个组件带来了多项专利。⁴

暴露在-40℃到+85℃的温度范围内会损坏暗室中的吸波器，以及三维定位器中的电机和驱动器。为了防止这种情况，DUT被封闭在OTA室内的一个热室中，它尽可能地将冷或热空气密封起来。腔室的其余部分是通风的，以保持接近环境的温度。限制暴露在温度波动中的体积的一个好处是减少必须提供的能量和空气量，以稳定DUT在ETC条件下。这也减少了达到目标温度所需的时间。

虽然这种方法有上述的好处，但也不是没有重大的困难。首先，隔热箱必须有足够的射频透明度，以尽量减少对QZ均匀性和DUT辐射的影响。然而，外壳必须是稳定的，能够承受温度气流带来的内部气压的增加，同时将冷热气流与周围环境隔离。隔热箱的所有机械部件，以及与之相连的空气管道，必须支持双轴定位器的全部三维运动——也就是DUT——同时保持密闭。空气管道必须通过射频屏蔽墙进出箱体，而不影响屏蔽效果。 

暗室设计

所有这些考虑导致了一个具有图1所示气流链的系统概念。所需温度的压缩干燥空气由一个称为Thermostream的外部气候机提供。连接到电源和中央压缩空气供应源，它在最低和最高空气温度之间向暗室的进气口提供所需的空气量。将空气管道穿过屏蔽室的墙壁需要射频过滤的空气馈通，它包括多个充满吸收剂的金属袋，将空气通过缠绕的管道引导到暗室内部。

图1 ETC测试系统的空气流。

一旦进入屏蔽室，软管连接到一个空气旋转接头。它分别支持气流在两个方向（供气和排气）通过方位角-仰角组合定位器的仰角轴，同时不限制其角度运动能力。通过使用精心挑选的密封件，它可以使空气通过空气旋转接头的运动部件的泄漏在整个空气温度范围内保持在最低限度。供气管和排气管沿仰角摆动运行，并连接到隔热罩的下部外壳，隔热罩由坚固的塑料材料制成，固定在三维定位器的仰角摆臂上。定位器的方位旋转台以隔离的方式通过这个下壳进入热室，使DUT在第二轴上完全旋转，并在极端温度范围内实现对DUT的完全三维评估。

为了关闭热室，上部的圆顶——由射频透明的Rohacell^®材料制成——通过一个空气密封的锁紧环与下部的外壳相互锁定。由于圆顶材料的介电常数接近空气，对射频辐射的影响降到最低，因此在圆顶的情况下可以进行高质量的射频测量。圆顶的形状、壁厚和材料的加工都经过了优化，以尽可能地封闭泡沫腔，提高圆顶的气密性和坚固性，以承受内部气压的增加，同时最大限度地减少射频扰动。不同尺寸的圆顶提供了更小和更大的体积，可以用于更大的DUT或支持更快的温度循环。较大的圆顶符合3GPP和CTIA DUT规范，以及3GPP射频一致性测试规范所规定的QZ评估质量。

一旦进入保温箱，空气就会被扩散器引导。通过设计机械件，将送风管输出处的气流引导到排气管，外壳内温度的均匀性得到了显著提高。这确保了快速和均衡的温度分布，并消除了热点或冷点，提高了性能，加快了温度稳定收敛的时间。理想情况下，由Thermostream提供的传感器控制的气流量是最大的，然而，供应空气的温度范围必须采用气流链中的其他材料。这些参数也会影响空气循环时间，所以必须谨慎选择。

在空气的温度能量被提供给热室后，空气通过管道以相同但独立的方式通过空气旋转接头和废气进气口排出室外。为了减少噪音，软管的末端是一个专门设计的消音器。由于排气路径的直径影响到热室内部的压力增加，所以它们的选择是为了保持足够低的内部压力，并留有净空，以避免因压力过大而造成损坏。 

ETC OTA性能

为了开发一个既能满足主要测试规范要求又能满足用户高速测试需求的解决方案，必须进行多轮优化。这涉及到电磁、气流和热模拟，用于优化隔热箱内的空气分布（见图2）。需要制作许多原型，同时进行数百小时的测试，以验证数值结果并优化设计。导致最终解决方案的ETC OTA的多个版本产生了一个非常紧凑和易于处理的测试环境，各种尺寸的设备可以在全3D和宽温度范围内进行测试（见图3和4）。

图2 带有直接管道入口（a）和附加扩散器（b）的50升保温箱的温度和空气流动模拟。

图3 ETC OTA测试系统(R&S^©ATS1800C)与一个商用Thermostream。

图4 ETC OTA测试系统内部，35升Rohacell保温箱关闭（a），打开显示DUT（b）。

通过这种设置，使用高达700升/分钟的空气流速，可以在短时间内实现远远超过3GPP要求限制的温度变化。在这个流速下，在一个50升的ETC隔间内，10到14分钟就可以实现+85℃到-40℃的温度变化。即使不需要125℃宽的温度窗口，拥有它也是一种优势，因为额外的温度范围使在3GPP规定的温度范围内进行测试时能够快速升温。在相同的保温箱尺寸下，-10℃和+55℃之间的温度变化可以在不到3分钟内实现。正如预期的那样，冷却比加热需要更长的时间。在整个3GPP温度窗口中，冷却需要大约40秒（见图5）。使用这种ETC OTA设置支持所有的3GPP一致性测试和额外的压力测试，同时保持测试时间合理。

图5 DUT在50升外壳中，在450、500和700升/分钟空气流速下的温度循环时间：-40℃至+85℃（a），3GPP范围从-10℃至+55℃（b）。供应空气温度范围从-60℃到+125℃。 

参考文献

1.          3GPP, “NR; User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception; Part 2: Range 2 standalone,” TS 38.521-2, Version 16.12.0, June 2022.

2.          CTIA, “Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance,” Vol. 4.0, Feb. 2022.

3.          B. L. Schoenholz, J. M. Downey and M. T. Piasecki, “Design of a Thermal Testbed for Metrology of Active Antennas,” 2022 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), 2022.

4.          B. Derat et al., “Acceleration of Over-The-Air Measurements Under Extreme Temperature Conditions Through Optimization of Air Flow and Thermal Efficiency,” 2022 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), 2022.