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快速的毫米波OTA测试

Su-WeiChang, 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OTA（不连接导线），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1AiP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，稜研科技（TMYTEK)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UD Box升降频器可以使用

审核编辑：李倩

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