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Aktuelle Test- und Messtechnik-News

Hintergrund: Herausforderungen bei 5G-NR Over-The-Air (OTA) Tests

Die Einführung von Over-The-Air (OTA)-Messungen zur Validierung von 5G-Chipsätzen und Benutzergeräten (UE) ist mit vielen neuen Herausforderungen verbunden. Es gilt, regulatorische Anforderungen zu erfüllen und die gewünschte Messgenauigkeit zu erreichen. Der vorliegende Artikel stellt einige der wichtigsten Problemstellungen bei 5G-NR OTA-Tests sowie neue Methoden vor, die zu ihrer Überwindung entwickelt wurden. Neuartige Testlösungen ermöglichen eine kürzere Time-to-Market, geringere Testkosten und verschaffen Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil in der neuen Welt des Mobilfunks.

5G bietet ein erweitertes mobiles Breitband (eMBB) mit Datenraten von bis zu 20 Gbit/s. Dabei liegt der Schwerpunkt vor allem auf Millimeterwellen (mmW); sie sind die Voraussetzung für die Einführung größerer zusammenhängender Bandbreiten und damit für eine Erhöhung der Übertragungskapazität. Für den Frequenzbereich 2 (FR2) optimierte Bausteine sind sehr komplex und führen zu Problemen wie hohen Pfadverlusten, IQ-Beeinträchtigungen, Phasenrauschen, lineare/nichtlineare Kompression und Frequenzfehler, die bei höheren Frequenzen und größeren Bandbreiten häufiger auftreten.

Um die Folgen hoher Pfadverluste in FR2 (> 60 dB) zu vermindern, entwickelte man Beamforming-Techniken, bei denen aktive Antennen-Arrays (AAS) mit mehreren phasengesteuerten Antennen und Hochgeschwindigkeits-Signaltechniken zum Einsatz kommen. In AAS sind die Transceiver-Frontends zusammen mit dem Antennen-Array integriert. Anders gesagt: Es gibt keine klassischen HF-Ausgangsports und damit auch keine Kabelverbindung. Bei 5G sind zumindest für FR2 OTA-Tests zum Standard-Testfall geworden. Dies beeinflusst die Testverfahren und erfordert in einer OTA-Umgebung die Erfüllung von Messunsicherheits-Anforderungen. Ein weiteres wichtiges Hindernis für eine effektive Verifizierung der Bausteine ist der Umgang mit den strengeren Spezifikationen, die mit den wichtigsten Testkriterien verbunden sind.

OTA-Prüfmethoden

3GPP definiert in TS 38.810 drei zulässige Testverfahren: Direct Far Field (DFF), Indirect Far Field (IFF) und Near-Field-To-Far-Field (NFTF). Welches Verfahren das Beste für eine Anwendung ist, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter der Antennengröße und der Konfiguration des Prüflings (DUT).

Bei DFF dimensioniert man die Kammer so, dass der Abstand zwischen Prüfantenne und Prüfling größer als 2D2/ λ ist, wobei D die größte Bauteil-Größe und λ die Wellenlänge ist. Dieser Abstand nimmt mit der Antennengröße D und mit der Frequenz zu. Wenn D groß und/oder die Frequenz hoch ist, führt der DFF-Ansatz zu Kammern, die nicht nur zu groß, sondern auch unerschwinglich sind. Sehr oft befindet sich das Bauteil während der Prüfung in seinem eigenen Gehäuse, so dass die genaue Größe und/oder Position der Antenne des Prüflings unbekannt ist. In solchen Fällen sollte man die größte Bauteilgröße verwenden; dies führt selbst bei relativ kleinen Bauteilen zu sehr großen Kammern. Für derartige Fälle gibt es praktischere Möglichkeiten, um die Bedingungen für Fernfeldtests zu schaffen.

Mit IFF-Methoden lassen sich Fernfeld-Bedingungen in kleineren Kammern realisieren. IFF-Verfahren bieten zwar eine kleinere Grundfläche und geringere Pfadverluste als DFF, erreichen aber immer noch akzeptable Testgeschwindigkeit und unterstützen HF-Parametermessungen zur Charakterisierung von Abstrahlungsmustern und zur Validierung von Beam-Steering, für EIRP/TRP- und EIS-Tests sowie zur Validierung von Beam Steering. Der größte Nachteil der IFF-Methoden ist, dass sie auf die Messung eines einzelnen Eintreffwinkels (Angle of Arrival, AoA) beschränkt sind, so dass sie weder bestimmte RRM-Testfälle noch Beam-Management-Tests unterstützen können. Der gebräuchlichste IFF-Aufbau ist Compact Antenna Test Range (CATR), der einen Parabolreflektor zur Umwandlung einer sphärischen Welle in eine ebene Welle nutzt. Bild 1 zeigt den MA8172A CATR für FR2 5G-NR OTA-Tests von UEs.

 

Bild1

Bild 1:  MA8172A CATR für FR2 5G-NR OTA-Tests von UEs.

 

Wahl der passenden OTA-Methode

Im gesamten UE-Entwicklungsprozess von der Forschung und Entwicklung bis zur Massenproduktion und Zertifizierung sind Bewertung und Qualifizierung erforderlich. Je nach Entwicklungsphase gibt es unterschiedliche Testanforderungen; es kann also keine einzelne OTA-Testmethode als die beste für die Charakterisierung von 5G FR2 Bausteinen gelten. Die Wahl der optimalen OTA-Methode hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Testschnittstelle, den Messkriterien und den Testanforderungen der verschiedenen Phasen, den Kosten des Testaufbaus sowie den Kompromissen zwischen Messunsicherheiten und Testzeit. Bild 2 gibt einen Überblick über verschiedene OTA-Kammerlösungen für die unterschiedlichsten Prüfanforderungen. Die beste Lösung ist abhängig von verschiedenen Aspekten, wie z.B. der Größe und dem Gewicht des Prüflings und dem Bedarf an sphärischen oder nicht sphärischen Prüfungen. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die Genauigkeit und Anwendbarkeit der DFF- und IFF-OTA Testumgebungen.

 

Figure 2

Bild 2: Überblick über verschiedene 5G-OTA-Kammerlösungen für unterschiedliche Testanforderungen.

 

Table 1

Tabelle 1:  Überblick über die Genauigkeit und Anwendbarkeit von 5G OTA-Testumgebungen. Farblegende: Grün=vollständig anwendbar; Orange = eingeschränkt anwendbar; Rot = nicht anwendbar.

 

Herausforderungen bei OTA-Tests

Zur Sicherung von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz bei OTA-Tests sind folgende technische Herausforderungen zu bewältigen:

1. Testzeit-Aspekte

Testzeit ist ein kritischer Faktor für 5G-OTA-Tests. Bei der Durchführung von OTA-Tests anhand der vom 3GPP spezifizierten Raster zeigt sich möglicherweise, dass eine höhere Messgenauigkeit erforderlich ist. Statistisch gesehen ist die Messunsicherheit umso geringer, je feiner das Abtastraster ist. Mit feineren Rastern erhöht sich jedoch auch die Testzeit. Man betrachte als Beispiel die Gesamtstrahlungsleistung (TRP): Anhand der TRP kann man sicherstellen, dass die Sendeleistung eines Funkgeräts die gesetzlichen Bestimmungen erfüllt. Bei Neben- und Rückstrahlkeulen lässt sich eine TRP Messung nur über eine Integration der Leistung über eine 360° Kugel um die gesamte Antenne herum realisieren, was die Messzeit verlängert. Der Zeitaufwand für die TRP-OTA-Prüfung hängt von der Verfahrzeit des Positionierers, von der Anzahl der Punkte und von der Tatsache ab, dass man neben der horizontalen auch die vertikale Polarisation berücksichtigen muss. Kommerziell erhältliche Lösungen müssen diesen Aspekt unbedingt berücksichtigen. Die Anritsu-Lösung MX800010A beruht auf der Funkkommunikations-Teststation MT8000A und verkürzt die Testzeit durch den Einsatz von zwei HF-Wandlern in Verbindung mit einem Konstantdichte-Algorithmus Konzept.

2. Kalibrierung

Eine weitere Herausforderung bei 5G OTA-Tests liegt in der Überwindung der erheblichen Pfadverluste, die leicht >50 dB betragen können. Eine korrekte Messung der relevanten HF-Kennwerte des Prüflings erfordert eine genaue Kalibrierung des Aufbaus. Meist nutzt man dazu eine Referenzantenne mit bekannten Verstärkungswerten. Zur Durchführung der Kalibrierung platziert man eine Referenzantenne in der Mitte der reflexionsfreien Zone (dem Bereich der Kammer, in dem die Messungen durchgeführt werden) und beleuchtet den Prüfling mit nahezu einheitlicher Amplitude und Phase. Typische Spezifikationen für die reflexionsfreie Zone sind 10 Grad Phasenvariation, ± 0,5 dB Amplitudenwelligkeit und 1 dB Amplitudendämpfung.

mmW-Module erlauben die Erzeugung und den Empfang von mmW-Signalen und wandeln diese zwischen den Prüfgeräten (z. B. Netzsimulatoren) vom Basisband in mmW um. Sie dienen der Minimierung von Pfadverlusten und der Verbesserung der Kalibrierungsgenauigkeit. Wegen der höheren Pfadverluste bei mm-Wellen ist es wichtig, die Konverter so nah wie möglich bei den Antennen zu platzieren. Bild 3 zeigt die Anritsu MA8000XA HF-Wandler. Sie lassen sich direkt neben den Speiseantennen positionieren und benötigen keine Common Interface Unit (CIU), wodurch sich die Pfadverluste minimieren. Auf der Rückseite sind sie über einen ZF-Signalpfad mit dem HF-Basismodul der MT8000A Radio Communication Test Station verbunden, was eine Optimierung des verfügbaren Messdynamikbereichs ermöglicht. Diese Architektur minimiert die Verluste und ermöglicht damit ein höheres SNR, eine geringere Messunsicherheit und genauere Ergebnisse.

 

Figure 3

Bild 3:  Anritsu MA8000XA RF-Wandler für mmW-FR-Messungen zur Minimierung von Pfadverlusten und zur Verbesserung der OTA-Kalibrierungsgenauigkeit.

 

3. Ausrichtung des Prüflings

mmW-Antennen sind hochgradig richtungsabhängig und erfordern eine hochpräzise mechanische Ausrichtung. Für eine wiederholbare Platzierung des Prüflings sind speziell gefräste Halterungen erforderlich, um den Prüfling zuverlässig zur erwarteten Position zurückzubringen. Genaue und reproduzierbare Ergebnisse lassen sich nur bei Auswahl der besten Ausrichtungsoption für das Anschluss-Design und die Antennenposition erzielen. Anritsu hat kürzlich den Prüflingshalter MA8179A-AK011 vorgestellt. Um Meßstörungen zu vermeiden und alle diese Anforderungen in einem einzigen Produkt zu erfüllen, besteht dieser Halter aus verlustarmem Material. Dies erleichtert die Markteinführung von mmW-Endgeräten. Der MA8179A-AK011 ist eine kompakte Vorrichtung zur Montage auf dem Positionierer und ermöglicht eine Ausrichtung der Prüfklemme in der richtigen Position. Damit kann die Anritsu CATR MA8172A Kammer den Prüfling, etwa ein Smartphone oder ein Tablet, in den von der 3GPP Alignment Option 1/2/3 spezifizierten Positionen und Ausrichtungen aufnehmen. Ferner erfüllt die Kammer nicht nur die empfohlenen Qualitätsanforderungen für die reflexionsfreie Zone beim 3GPP RF/RRM-Konformitätstest, sondern vereinfacht gegenüber früheren Einspannvorrichtungen auch die Montage/Demontage von Prüfanschlüssen in der Prüfkammer. Die Genauigkeit der Befestigung gewährleistet eine einfache Reproduzierbarkeit von Messungen und Positionen.

 

Figure 4

Bild 4: Anritsu MA8179A-AK011 Prüflingshalterung zur Fixierung des Prüflings in den von der 3GPP Alignment Option 1/2/3 vorgegebenen Positionen und Ausrichtungen.

 

4. Extreme Temperaturbedingungen

3GPP definiert in TS38.101-2 den Temperaturbereich „-10 °C bis +55 °C“ als Extreme Temperature Condition (ETC). Weil Prüflinge ihre Leistung und Empfindlichkeit über den gesamten Bereich liefern müssen, umfasst die HF-Prüfung im 3GPP auch Tests unter extremen Umweltbedingungen (heiß/kalt). Anritsu hat vor kurzem die Temperaturtest-Option MA8172A-010 als Erweiterung der reflexionsfreien CATR-Kammer MA8172A vorgestellt. Mit ihr lassen sich Temperaturtests für 5G mmW-Mobiltelefone durchführen, die bisher schwierig waren. Zusammen mit der Radio Communication Test Station MT8000A für 5G-F&E-Anwendungen und dem New Radio RF Conformance Test System ME7873NR für 5G-Konformitätstests kann sie die HF-Eigenschaften von 5G-mmW-Mobiltelefonen in einer kontrollierten Temperaturumgebung verifizieren und damit die Qualität der Mobiltelefone sichern und verbessern. Weiterhin ermöglichen kontinuierliche Tests bei niedrigen, normalen und hohen Temperaturen nicht nur eine verbesserte Testeffizienz, sie spielen auch eine entscheidende Rolle für den wachsenden mmW-Markt.

 

Zusammenfassung

OTA-Messungen sind unerlässlich für die Bewertung der Leistung von 5G mmW-Bausteinen. Sie sind mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, um die gewünschte Messgenauigkeit für die Validierungs- und Konformitätsprozesse zu erreichen. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über die Herausforderungen, Lösungen und bewährten Verfahren bei OTA-Tests. Keine einzelne OTA-Methode bietet die alleinige Lösung für eine umfassende Charakterisierung von 5G Millimeterwellen-Bausteinen. Die optimale Wahl beruht auf Kompromissen zwischen verschiedenen zu bewertenden Leistungskriterien, Messgenauigkeit, Kosteneffizienz, Komplexität der verschiedenen Testumgebungen, Wiederholbarkeit in einer kontrollierten Umgebung usw. Durch die Wahl der besten Prüflösung kann man die Time-to-Market verkürzen, die Testkosten senken und Wettbewerbsvorteile auf diesem neuen Gebiet der drahtlosen Kommunikation erzielen. Um die Anforderungen an HF-, Demodulations- und Funktionstests zu erfüllen, sollte man mit einem Testhersteller zusammenarbeiten, der Erfahrungen mit allen Elementen der OTA-Umgebung hat. So kann man unnötige Nacharbeiten vermeiden, die zu Verzögerungen bei der Markteinführung und zusätzlichen Entwicklungskosten führen könnten.

Autor: Enrico Brinciotti, PhD, Field Application Engineer, Anritsu

www.anritsu.com/



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