OTA-Messungen Compact Antenna Test Ranges: Kompakte Messkammer für 5G-Mobilfunkgeräte

Anbieter zum Thema

PFLITSCH GmbH & Co. KG

NetModule AG

Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

Eine spezielle Messkammer von Rohde & Schwarz erlaubt Messungen an 5G-Mobilfunkgeräten. Mit mehreren Strahlpfaden sind außerdem Radio-Resource-Management-Tests Over-the-Air (OTA) möglich.

Für reproduzierbare OTA-Messungen unter Laborbedingungen sind echofreie Messkammern notwendig, die je nach zugrunde liegendem Prinzip erhebliche Ausmaße annehmen können. Vor wenigen Jahren noch der exotische Ausnahmefall und spezialisierten, oft sehr großen Testeinrichtungen vorbehalten, sind OTA-Messungen durch die Ausweitung des 5G-Mobilfunks mit den Frequenzen im Millimeterwellenbereich heute Laboralltag.

Gefragt sind deshalb kompakte Lösungen. Die sogenannten Compact Antenna Test Ranges (CATR) benötigen nicht viel Platz. Um trotz der kompakten Maße der Messkammern präzise Messergebnisse zu gewinnen, sind konstruktive Klimmzüge nötig. Denn am Ort des Messobjekts ist ein homogenes Feld erforderlich, wie es sich bei einer geradlinigen Wellenausbreitung zwischen Sender und Empfänger erst im Abstand von vielen Metern einstellt (Direct Far Field, DFF).

CATR arbeiten dagegen mit parabolischen Umlenkspiegeln, die zum einen die Baulänge verkürzen und zum andern die vom Sender kommende Kugelwelle in eine ebene Wellenfront kollimieren (Indirect Far Field, IFF). Das Ergebnis ist eine „Quiet Zone“ in kurzem Abstand vom Reflektor, die das Messobjekt vollständig umschließt. Je größer die Zone, desto größer dürfen die Messobjekte sein und desto flexibler lassen sie sich im Raum positionieren.

Das spielt in der Praxis eine nicht unbedeutende Rolle, weil es dann innerhalb bestimmter Grenzen unwichtig ist, wo genau sich die Prüflingsantennen im Gehäuse befinden (Black-Box-Ansatz). Denn OTA-Messungen werden nicht nur von den Geräteherstellern durchgeführt, die natürlich über diese Information verfügen, sondern auch von Dienstleistern, die schnell und unkompliziert zu validen Ergebnissen kommen wollen.

Die Größe der Messkammer und wovon sie abhängt

Bei DFF-Systemen hängt die Größe der sogenannten Quiet Zone außer von der Wellenlänge im Wesentlichen vom Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne ab. Bei IFF-Systemen wird sie dagegen vorwiegend von der Größe des Reflektors bestimmt und ist weitgehend unabhängig von der Kammergröße, wobei einige geometrische Bedingungen in Bezug auf den Abstand zwischen Speiseantenne, Reflektor und Prüflingsantenne erfüllt sein müssen.

Man realisiert so auf kleinem Raum zylindrische QZ mit Durchmessern von 30 cm und mehr. Das ist ausreichend für die meisten Endgeräte. Für eine vergleichbar große QZ von 30 cm würde man in einem DFF-System einen Prüflingsabstand zur Messantenne von knapp 17 m bei 28 GHz benötigen, was einer Freifelddämpfung (siehe Kasten) von 86 dB entspricht und neben der notwendigen Kammerlänge von rund 20 m auch eine Messdynamikeinbuße von ca. 25 dB oder Faktor 20 gegenüber einem IFF-System mit sich brächte.

Die Vorteile einer CATR gegenüber einer DFF-Testkammer machen sie für Millimeterwellen alternativlos. Durch ein ausgeklügeltes Design lässt sich aber noch mehr aus dem Konzept herausholen. Marktübliche Kammern werden in einem horizontalen Setup geliefert, was zu einem Stellplatzbedarf von mindestens 1 m x 2,5 m führt. Kammern des Herstellers Rohde & Schwarz wie die R&S ATS1800C kommen aber mit einer halb so großen Grundfläche aus, denn sie sind vertikal konstruiert.

Alle Messungen sind in einer Messkammer möglich

Anders als der Flächenverbrauch spielt die Bauhöhe der Gerätschaften bei der Laborausstattung normalerweise keine Rolle, wenn sie unterhalb der Raumhöhe bleibt. Die R&S ATS1800C passt sogar durch eine 2-m-Standardtür und lässt sich auf ihren stabilen Rädern problemlos zwischen Laboren verschieben. Der vertikale Aufbau hat außerdem den Vorteil, dass man den Prüfling, sofern man ihn statisch oder in nur einer Achse bewegt untersuchen will, einfach auf die Messobjektaufnahme legen kann, während er bei horizontalem Kammerdesign immer gegen die Schwerkraft in der Quiet Zone fixiert werden muss.

Die Feldqualität in der Quiet Zone hängt entscheidend von der Güte des Reflektors ab. Die Reflektoren von Rohde & Schwarz werden mit hoher Genauigkeit aus einem Aluminiumblock gefräst und zur Langzeitkonservierung der Oberfläche vergoldet. Wer in eine CATR investiert, möchte möglichst alle anfallenden Messungen OTA erledigen können. Ob von Standards gefordert oder durch eigene Testkonzepte motiviert. Die Messkammer von Rohde & Schwarz bietet deshalb Ausbaumöglichkeiten, die ein breites Spektrum an Messmöglichkeiten eröffnen. So müssen Produkte, die am Markt bestehen sollen, in einem breiten Temperaturfenster funktionieren.

Für entsprechende Tests lässt sich die Testkammer recht einfach und jederzeit reversibel mit einer HF-durchlässigen Klimakammer ausrüsten, mit der das Prüflingsverhalten bei Temperaturen zwischen –40 und 85 °C untersucht werden kann. Die einschlägigen Standards beschreiben nicht nur obligatorische Funktionstests an den Endgeräten, sondern geben auch Grenzwerte für ihr Emissionsverhalten vor, so auch für ungewollte Abstrahlungen auf Frequenzen außerhalb des Arbeitsfrequenzbands (out of band spurious emissions). Der große Frequenz­bereich der Kammer erlaubt solche Messungen zwischen 6 GHz und 90 GHz, also bis zur zweiten Harmonischen eines FR2-Prüflings. Da keine einzelne Antenne derart breitbandig mit der erforderlichen Genauigkeit arbeitet, können verschiedene Antennen nacheinander durch einen Feed­Switcher automatisch in den Fokuspunkt des Reflektors gebracht werden. Die Kammer wird dafür mit einem motorisch angetriebenen Antennenmagazin ausgestattet.

Typisches Testszenario des Radio Resource Managements (RRM)

Eine neue Erweiterungsmöglichkeit dient dazu, Prüflinge bei gleichzeitigem Empfang von Signalen aus verschiedenen Raumrichtungen zu untersuchen. Das ist ein typisches Testszenario des Radio Resource Managements (RRM). Wie in einem realen Netz werden dem Endgerät Signale mehrerer Basisstationen unter verschiedenen Einfallswinkeln angeboten und seine Reaktionen etwa auf Pegeländerungen beobachtet. Auch Handover- und Roaming-Szenarien lassen sich so simulieren.

In einem CATR-System ist dafür mindestens ein weiterer Reflektor notwendig. Allerdings schreibt die 3GPP-Spezifikation für RRM sechs verschiedene Winkelkombinationen von 30 bis 150 ° zwischen den Basisstationssignalen vor. Durch geschicktes Kombinieren von unterschiedlichen Reflektoren lässt sich diese Vorgabe mit nur drei zusätzlichen Spiegeln erfüllen. Die Testkammer wird dafür durch zwei angeflanschte Seitenkammern zur R&SATS1800M (Multireflektor) erweitert. Das ist auch nachträglich und rückbaubar möglich.

Jede der Zusatzkammern beherbergt einen oder zwei Reflektoren und die zugehörigen Speiseantennen. Wie der Spiegel der Hauptkammer erzeugt jeder Zusatzspiegel seine eigene 30 cm durchmessende Quiet Zone; alle QZ überlagern sich am Ort des Messobjekts zu einer etwa kugelförmigen resultierenden QZ von 30 cm Durchmesser mit der angenehmen Konsequenz, dass der Black-Box-Ansatz uneingeschränkt auch bei RRM-Messungen praktiziert werden kann.

Die große QZ hat eine deutlich geringere Messunsicherheit als andere Lösungen und hüllt das DUT bei jeder räumlichen Orientierung sicher ein. Diese lässt sich über den 3D-Positionierer feinstufig ändern, sodass trotz der Systemfixierung auf sechs feste relative Einfallswinkel jeder beliebige absolute Winkel des Testobjekts zu den Basisstationssignalen einstellbar ist.

Tests von 5G-RF2 und RRM sind mit der Testkammer möglich

Die Testkammer ermöglicht neben 5G-FR2-HF-Tests auch RRM-Tests mit einem oder mehreren Einfallswinkeln und erlaubt Untersuchungen auf Protokollkonformität und Demodulationstests – mithin alle Messungen, die bei niedrigeren Frequenzen üblicherweise kabelgebunden anfallen. Da die Testkammer komplett montiert und eingestellt in einem Stück geliefert wird, ist eine Inbetriebnahme vor Ort schnell möglich. Das gilt ebenso für die Erweiterung zur R&S ATS1800M, da die beiden Seitenkammern einfach mit mehreren Verbindungsriegeln an die zentrale Kammer angekoppelt werden.

Die Ausweitung des Mobilfunkfrequenzbereichs auf Millimeterwellenfrequenzen erzwingt Messungen Over the Air. Für ein aufwandsarmes Messen sind kleine CATR-Kammern gefragt, die das gesamte Testprogramm unterstützen, das bis hin zu 5G FR1 noch über Kabelverbindungen möglich war. Die Testkammer und ihre RRM-Erweiterung R&S ATS1800M benötigen wenig Stellfläche, sind präzise und und verbinden hohe messtechnische Präzision mit einfacher Handhabung und großer Variabilität.

* Günter Pfeifer ist Produktmanager für Mobile Radio Test Signaling bei Rohde & Schwarz in München.

(ID:48660214)