5G 需要一种新的无线测试方法

查尔斯·施罗德

National Instruments 的业务和技术研究员 Charles Schroeder 表示，5G 有可能显着改变我们的生活。从更好的商业通信到更智能的家庭和工厂，再到自动驾驶汽车的进步。为了实现这种转变，与前几代相比，5G 无线设备需要速度更快、延迟更低并具有无与伦比的连接性。因此，他们的妆容会更加复杂，因此需要一种新的测试方法

以前，测试工程师一直在迭代一套公认的测量和技术，以大量测试无线通信技术，从 RF 半导体到基站和移动手机。有了 5G，这些无线设备内部的技术将更加复杂，因此需要重新考虑用于测试前几代产品的高度优化技术。为了验证 5G 技术的性能，有必要使用无线 (OTA) 方法而不是目前使用的有线方法测试 5G 组件和设备。

提高带宽的新技术

5G 标准的主要目标之一是将每个用户的数据容量显着增加到 10 Gbps，以满足不断增长的用户数据需求。但是为了实现这一点，正在引入新技术。首先，5G 规范包括多用户 MIMO (MU-MIMO) 技术，该技术允许用户通过波束成形技术同时共享相同的频段，为每个用户创建独特、专注的无线连接。其次，5G标准增加了更多的无线频谱，扩展到厘米和毫米波（mmWave）频率。

MU-MIMO 和毫米波技术的物理实现使用的天线元件比前几代蜂窝标准要多得多。物理定律规定，与当前蜂窝频率的信号相比，毫米波频率的信号在穿过自由空间时衰减得更快。因此，对于类似的发射功率水平，毫米波蜂窝频率的范围将比当前蜂窝频段小得多。

为了克服这种路径损耗，5G 发射器和接收器将利用同时工作的天线阵列并使用波束成形技术来提高信号功率，而不是当前设备中每个频段的单个天线。尽管对于提高信号功率很重要，但这些相同的天线阵列和波束成形技术对于实现 MU-MIMO 技术至关重要。

为了将所有这些天线安装到未来的手机中，毫米波频率的天线将比当前标准使用的蜂窝天线小得多。新的封装技术，如封装天线 (AiP)，将有助于将这些天线集成到现代智能手机的小空间限制中，但天线阵列可能是完全封闭的，没有任何直接可接触的测试点。

OTA 如何应对新挑战

对于测试工程师来说，增加的频率、新的封装技术和更多的天线数量将很难保持高质量，同时限制资本成本（测试设备成本）和运营成本（测试每个设备的时间）的增加。新的 OTA 技术将有助于克服这些问题，但也会带来一些挑战。

首先，测量精度将具有挑战性。与有线测试不同，在进行 OTA 测量时，测试工程师将处理天线校准和精度、夹具容差和信号反射带来的额外测量不确定性。其次，必须将全新的测量集成到设备测试计划中，以进行消声室集成、波束表征、最佳码本计算和天线参数表征。

第三，随着射频带宽的不断增加，对这些宽带宽进行校准和测量的处理需求也在增加，这增加了对测试时间的担忧。最后，测试经理必须考虑额外的业务考虑，以确保产品质量，同时最大限度地减少对上市时间、资本成本、运营成本和占地面积（以容纳 OTA 室）的影响。

虽然 OTA 带来了挑战，但它也带来了好处。首先，OTA 是 AiP 技术的唯一选择，因为天线阵列集成在一个封装内，无法直接连接到阵列元件。即使测试工程师可以使用传导测试方法联系单个天线元件，他们也面临着并行测试它们还是串行测试它们的困难选择（以测试时间和吞吐量为运营成本）。许多技术问题仍然需要解决，但 OTA 测试提供了将阵列作为一个系统而不是一组单个元素进行测试的可能性，这可能会导致系统级测试的更高效率承诺。

过去，测试设备供应商和工程师成功地克服了测试提高性能和复杂性的挑战，同时最大限度地缩短了上市时间和测试成本。因此，我完全有信心他们可以为 5G 再次做到这一点。虽然今天测试 5G 的挑战看起来很复杂，但世界各地的工程师在开发新的测试仪器和方法（如 OTA）方面取得了巨大进展，这些是使 5G 明天取得商业成功所必需的。

作者是 Charles Schroeder，National Instruments 的商业和技术研究员