测量5G毫米波设备多个到达角的多重CATR系统的设计 留言

Design of a Multiple CATR System for Multiple Angles of Arrival Measurement of 5G mmWave Devices

Corbett Rowell, Benoit Derat andAdrián Cardalda García，罗德与施瓦茨

摘要：5G的关键在于高频毫米波频段中的数据、速度和可靠性。缺少传统的外部射频连接器让5G设备特性的评估充满挑战。然而，对于需要考虑多个到达角的波束赋形场景，使得测试设置的复杂性又上一层楼。例如，采用新颖的多重紧缩式天线测试场(CATR)，可以显著减少无线电资源管理(RRM)测量所需的空间，同时在所定义的能够覆盖整个无线设备的静区内保持较低的测量不确定度。

在5G FR2毫米波频段中，设备的一些测量用例需要用多个到达角来体现：MIMO、多重冲击波下的RF衰落、同时监测带内和杂散发射、以及RRM。¹一个常见的RRM场景是5G无线终端设备监测多个基站的功率电平，并在第一个基站的信号下降到给定阈值以下时切换到其他基站。

假设这些基站位于无线设备的远场范围，通过Fraunhofer公式计算远场距离：

R_FF=2D²/λ

其中R_FF为远场距离，D为静区或被测设备(DUT)尺寸，λ为波长。对于最大对角线为30cm的典型无线设备，在频率为40GHz时，R_FF约为24m。尽管毫米波天线阵列模块的口径为1-2cm，但通常需要几个模块放置在设备内部的不同位置，并且可以同时工作，这需要一种“黑盒”的方式，即最小静区受制于设备的最大尺寸。

RRM和RF衰落的测量技术包括使用电缆测量的7GHz以下测试系统；以及24GHz以上时的远场无线空口(OTA)测试系统。尽管电缆测量更为快捷和简单，但并不能像无线OTA测量那样体现真实环境状况。为模拟DUT在远场状况下的多个基站或多个到达角，通常会将探头或发射天线放置在与所需静区尺寸或最小允许测量不确定度相对应的距离处。²在毫米波频段内测量较大的无线设备，会导致需要占用较大占地面积。如果探头位置与DUT之间的距离远小于Fraunhofer距离，测量不确定度会增加。

考虑一个频率为40GHz的30cm静区，实现探头角度间隔为150度的话，直接远场法的RRM OTA系统需要至少45×12m的空间。另一种选择是使用CATR的间接远场方法，这种方法可以减小测量距离并缩小测量系统尺寸。

本文提出一种新颖的多重CATR (multi-CATR)方法，以减少所需的RRM测量占用空间（长×宽），同时在覆盖整个无线设备的静区内保持较低的测量不确定度。³对于30cm的静区，占用空间为4.6m²。这种布置可以模拟多个“基站对”与DUT交互的场景，⁴并且这种测量方法的相关性和准确性已经得到证明。

RRM技术规范

3GPP的5G FR2 RRM技术规范定义了五组基站对，以30°、60°、90°、120°、150°的角度位置定位。⁵无线设备对于和不同频率或不同时隙的广播配对场景进行性能测量。图1显示了如何使用四个天线探头位置实现角度分布，而不是在0°、30°、60°、90°、120°、150°使用六个天线探头。探头2和探头3用于60°角度分布，探头2和探头4用于120°角度分布。由于3GPP技术规范仅考虑探头成对切换，因此探头布置在同一个平面内。借助DUT双轴转台系统，测量装置可模拟3D多到达角系统。例如，通过结合转台系统的移动和成对探头之间的快速切换，以及单个探头的功率控制，可以模拟移动DUT的动态到达角场景进行测量。

采用这种系统可实现的3GPP RRM测试用例包括相邻小区功率测量、移动场景、波束管理和无线链路监测。RRM测试用例中的基本测量参数是基于同步信号的参考信号接收功率(SS-RSRP) ¹，定义为来自包含同步信号单元的功率贡献的线性平均值。在所有RRM测试场景中，无线设备均会使用每个小区测得的SS-RSRP做出决策。

CATR反射面设计

CATR使用抛物面反射面，在焦点处放置馈源天线，将球面波前转换为平面波分布，反之亦然（图2）。在本文讨论的测试系统中，CATR反射面针对30cm静区设计，尺寸为52×54cm。反射器采用混合卷边设计，以便最大程度减少静区内的衍射和散射并缩小系统尺寸。⁶卷边设计的反射面最低频率设计为6GHz。频率上限为200GHz，由表面粗糙度Rq<1µm和算术平均表面粗糙度Ra<1.6µm确定。反射面焦距为70cm，以便最大程度缩小

原文始发于微信公众号（actMWJC）