CATR抓得住毫米波訊號　5G OTA測試/校準真穩當

5G毫米波OTA測試勢在必行

手持行動裝置產品製造商需要確保其產品符合5G毫米波的頻率要求和OTA標準中所規範的RF性能要求，5G毫米波OTA測試驗證的項目共三項如下描述為：峰值有效無方向性輻射功率(Peak Effective(or Equivalent)Isotropic Radiated Power, Peak EIRP)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)、峰值有效無方向性敏感度(Peak Effective Isotropic Sensitivity, Peak EIS)。

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毫米波OTA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。

CATR縮短毫米波訊號量測距離

由於間接遠場量測方法(IFF)當中的縮距場天線量測(Compact Antenna Test Range, CATR)是目前全球大多數電信業者所選用毫米波OTA的測試方式，因此本文主要介紹縮距場天線量測CATR，該測試方式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)，其原理是在短距離內產生遠場效果的平面波來測試天線及毫米波OTA測試驗證的項目。

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，靜態區域是一個圓柱體的測試體積其直徑為d高度為h。以縮距場天線量測CATR而言，靜態區域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R的限制即可實現平面電磁波，其中D為DUT輻射孔徑大小，λ為波長，CATR的量測系統也不會有傳統遠場量測22.5度的相位誤差，CATR的路徑損失(Path Loss)也比傳統遠場量測場的路徑損失還要小，在自由空間中的路徑損失(Path Loss)公式為。

以目前主流的28GHz為例，來觀察比較傳統遠場量測及縮距場天線量測CATR的路徑損失，可以發現DUT(Device Under Test)輻射孔徑越大其路徑損失差距越大，表1為28GHz在不同DUT輻射孔徑大小(D)在傳統遠場量測的路徑損失，表2為28GHz在不同DUT輻射孔徑大小(D)在縮距天線量測場CATR的路徑損失。

縮距場天線量測CATR的拋物面反射面天線其焦距(Focal Length)為饋入天線到拋物面反射面天線的距離R(可以說是CATR的遠場距離)，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(R)=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，拋物面反射面天線的邊緣處理需要低頻頻率的5λ的長度。

CATR系統校準與設置

CATR縮距場天線量測系統的校準是在執行量測DUT之前的一個重要的步驟，校準量測是使用一個已知效率或增益值的參考天線Standard Gain Horn(SGH)以及向量網路分析儀來量測環境的路徑損失，參考天線SGH會與DUT擺放在相同的位置進行量測，並且使用相同的傳輸路徑(C↔A+A↔B)，如圖1所示。

Peak EIRP、TRP、Peak EIS等量測在毫米波OTA是必須量測驗證的項目，CATR系統可以測試以上OTA的驗證項目，其量測設置如圖2所示。待測物DUT在3D三維空間環境發射出來的功率為有效無方向性輻射功率(Effective(or Equivalent)Isotropic Radiated Power, EIRP)，待測物DUT在3D三維空間環境發射出來的峰值EIRP就是Peak EIRP，其Peak EIRP數值可以使用TX Beam Peak Direction Search發射出波束峰值方向搜尋的方式得到，TX波束峰值的方向是最大EIRP的位置。

總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)為待測物DUT在3D三維空間環境發射出來的EIRP之平均值。同樣的道理峰值有效無方向性敏感度(Peak Effective Isotropic Sensitivity, Peak EIS)為待測物DUT在3D三維空間環境接收到最小的EIS值，其最小的EIS數值可以使用RX Beam Peak Direction Search接收到波束峰值方向搜尋的方式得到，RX波束峰值的方向是最小EIS的位置。

每一種量測系統都有它的量測不確定度(Measurement Uncertainty, MU)，不確定度的計算原理分為兩個部分的數值相加總而成，分別為系統校準量測(System Calibration Measurement)以及DUT量測(DUT Measurement)，表3為毫米波OTA測試驗證項目(EIRP, TRP, and EIS)在國際標準組織(3GPP/CTIA)允許使用的三種毫米波OTA測試方法(DFF/IFF/NFTF)其量測不確度，其中D為DUT輻射孔徑大小。從表3可以發現D=30cm的MU比D=15cm的小，原因在於D比較大其訊號雜訊比(S/N)會比較高，因此MU會比較小。

(本文作者為SGS台灣檢驗科技無線通訊實驗室全球OTA技術主管)