mmWave OTA 3GPP RF SGS 5G 5G NR eMBB

5G行動裝置投入開發 高頻毫米波OTA測試動起來

2018-12-04
隨著第五代行動通訊網路(5G)預計將會在2019年及2020年陸續提供網路商用服務,因此手持行動通訊裝置的製造商需要了解其產品(手機、平板、穿戴式裝置等)在5G毫米波(mmWave)空中下載(Over The Air, OTA)的射頻(Radio Frequency, RF)測試方法有哪幾種方式已經被國際標準組織(3GPP:the 3rd Generation Partnership Project/CTIA:Cellular Telecommunications and Internet Association)允許接受使用,並且讓研發工程師清楚的知道在驗證其產品時需要測試的項目有哪些。

隨著第五代行動通訊網路(5G)預計將會在2019年及2020年陸續提供網路商用服務,因此手持行動通訊裝置的製造商需要了解其產品(手機、平板、穿戴式裝置等)在5G毫米波(mmWave)空中下載(Over The Air, OTA)的射頻(Radio Frequency, RF)測試方法有哪幾種方式已經被國際標準組織(3GPP:the 3rd Generation Partnership Project/CTIA:Cellular Telecommunications and Internet Association)允許接受使用,並且讓研發工程師清楚的知道在驗證其產品時需要測試的項目有哪些。

5G是目前第四代行動通訊(4G)的下一代行動通訊技術,5G將會提供增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)及大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)等三大應用場景,讓生活變得更智慧化與便利。5G技術超越了目前4G行動通訊技術的規格及功能,提供了更快的資料傳輸速度,其無線網路將允許各種智慧設備之間的物聯網(Internet of Thing, IoT)通訊,創建一個龐大的物聯網生態系統(Massive IoT Ecosystem)。

手持行動裝置產品製造商需要確保其產品符合5G毫米波的頻率(目前全世界主流的5G毫米波頻率為28GHz與39GHz)要求和OTA標準中所規範的RF性能要求,並且使用適當的驗證指標來驗證其產品性能,5G毫米波OTA驗證的項目共三項如下描述為:有效的無方向性輻射功率(Effective(or Equivalent) Isotropic Radiated Power, EIRP)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)、有效的無方向性敏感度(Effective Isotropic Sensitivity, EIS)。

射頻測試方法

對於5G高頻毫米波的RF測試方法,OTA測量的方式將是驗證手持行動裝置產品在高頻毫米波的唯一測試方法,主要原因是因為頻率太高時RF的元件太小(幾乎與RF接頭的大小相同),傳導測試(Conducted Test)在量測結果會造成很大的量測不確定性。

目前被國際標準組織允許使用的測試方法有直接遠場(Direct Far Field, DFF)、間接遠場(Indirect Far Field, IFF)、近場轉換到遠場(Near Field to Far Field Transformation, NFTF)等三種方法。

1. 直接遠場測量方法

傳統遠場電波暗室的最小遠場量測距離R需要基

於遠場公式計算:其中D是待測物(Device

Under Test, DUT)輻射範圍的直徑大小。由此遠場公式可以發現,對於更大的天線尺寸和更高的頻率範圍,量測的距離以及路徑損失會非常的大。這會導致需要非常大的電波暗室及電波吸收體,如此一來建置成本將會非常昂貴,並且造成量測不確定度大大的提高很多,直接遠場測量方法建議使用在D小於等於5cm(圖1)。因此,5G高頻毫米波在較大的待測物測試時(D大於5cm),建議使用間接遠場量測方式來量測,也就是縮距天線量測場(Compact Antenna Test Range, CATR)。

圖1 直接遠場量測方法的量測設置
圖片來源:3GPP TR 38.810 V2.6.0

2. 間接遠場測量方法

間接遠場量測方法(縮距天線量測場CATR)是使用拋物面反射面天線(Parabolic Reflector Antenna)以及寬頻的喇叭天線當作饋入源(Feed Horn Antenna)的特性來建立形成的遠場量測環境,也就是饋入天線會輻射出球波,經過拋物面反射面天線的反射之後會產生平面電磁波(均勻的大小和相位)(圖2)。

圖2 間接遠場量測方法(縮距天線量測場CATR)的量測設置
圖片來源:3GPP TR 38.810 V2.6.0

天線及OTA量測上有一個靜態區域(Quiet Zone)也就是待測物在量測時的尺寸大小,以縮距天線量測場CATR而言,主要是取決於拋物面反射面天線、饋入天線、以及電波暗室的設計。靜態區的品質會受到平面波的大小、相位、以及天線輻射極化的均勻度等關鍵因素的影響。CATR的量測系統不

需要受到傳統遠場量測距離的限制即可實

現平面電磁波,其平面電磁波不會有空間的路徑損失。

拋物面反射面天線的焦距(Focal Length)為饋入天線到拋物面反射面天線的距離,相關設計的參數定義如下所示:

・假設待測物輻射範圍的直徑大小為D

・拋物面反射面天線的大小尺寸即為2×D

・焦距=3.5×拋物面反射面天線的大小尺寸=3.5×(2×D)

CATR的拋物面反射面天線目前有兩種形式,分別為鋸齒邊緣(Serrated Edge)以及彎折邊緣(Rolled Edge),主要是因為拋物面反射面天線的邊緣會有電磁波繞射及散射的現象產生,其現象會造成待測物的量測誤差,因為拋物面反射面天線與待測物的距離不遠,因此需要邊緣處理才可以解決此問題,如圖3所示。

圖3 CATR的拋物面反射面天線的鋸齒邊緣處理
圖片來源:3GPP TR 38.810 V2.6.0

3. 近場轉遠場測量方法

近場轉遠場的量測系統需要量測待測物3D的球形周圍表面並取得其的大小和相位的量測結果,此量測方式需要使用圓形環繞的探頭天線陣列搭配水平方位角旋轉的轉台,才可以量測到完整的3D天線輻射場型,也就是透過使用探頭天線陣列單元之間的電子切換,可以在不同的仰角平面中旋轉待測物的情況下,測量到3D的球形周圍表面的大小和相位等結果,將此近場的大小及相位數據經由傅立葉轉換得到3D的遠場量測結果(圖4)。

圖4 近場轉遠場量測方法的量測設置
圖片來源:3GPP TR 38.810 V2.6.0

近場轉遠場的量測系統是基於Huygen的理論公式,透過在距離待測物無限遠的表面上應用邊界條件,可以直接求解亥姆霍茲方程式(Helmholtz Equations),從表面上切線方向的電磁場,可以使用模態展開的正交性來確定模態係數。

隨著2019年以及2020年各個國家的電信業者預計將陸續推出5G行動通訊網路的服務,手持行動通訊裝置的製造商必須準備好推出符合OTA測試標準的合格產品,並了解與5G mmWave OTA的RF相關測試方法,這將有助於引入其5G新產品及新技術的相關機會。

(本文作者為SGS無線通訊實驗室全球OTA天線技術主管)

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