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Mess- und Prüftechnik / 5G-OTA-Tests

Soft- und hardwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen

05. September 2018, 13:17 Uhr   |  Dr. Benoît Derat et al., Rohde & Schwarz München


Fortsetzung des Artikels von Teil 4 .

Höherer QZ-Wirkungsgrad

Ein Compact Antenna Test Range (CATR)-Messsystem setzt einen Spiegel ein, um eine kugelförmige Wellenfront in eine ebene Wellenfront umzuwandeln und umgekehrt. Nach Fermats Prinzip der extremalen Laufzeit kann eine ebene Welle mit Hilfe eines Parabolspiegels in einem Punkt gebündelt werden. Wird eine Messantenne in diesem Brennpunkt positioniert, kann aufgrund des Reziprozitätsprinzips eine ebene Welle erzeugt werden: Der Parabolspiegel reflektiert eine bestimmte ebene Komponente der von der Mess-(oder Speise-)Antenne (Bild 2) abgestrahlten Kugelwelle in die Zone, in der sich der Prüfling befindet (QZ).

Bild 2: Aufbau eines Compact-Antenna-Test-Range(CATR)-Messsystems  mit einem Reflektor mit abgerundeten Kanten, der eine  kugelförmige Wellenfront in eine ebene Wellenfront kollimiert  (Berechnung der Felder mit einem Modell des tatsächlichen  Messau
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Bild 2: Aufbau eines CATR-Messsystems: Ein Reflektor mit abgerundeten Kanten kollimiert eine kugelförmige Wellenfront in eine ebene Wellenfront.  (Berechnung der Felder durch ein Modell des Messaufbaus mit der Simulationssoftware CST MWS bei 28 GHz).

Fehler in CATR-Systemen sind hauptsächlich auf zwei Ursachen zurückzuführen: einerseits die Charakteristik der Speiseantenne und andererseits die Geometrie des Spiegels. Bei letzterem bestimmen die Beschaffenheit der Ränder und die Oberflächenrauheit die Grenzen des Frequenzbereichs. Ist der Reflektor nur in einfachster Form ausgeführt, so führen die scharfen Ränder zu Beugungseffekten, welche die QZ mit Welligkeiten bis zu 2 dB kontaminieren können.

Mögliche Methoden zur Abschwächung dieses Phänomens sind gezackte oder abgerundete Ränder, um die Energie von der QZ wegzustreuen. Die Größe und Form der gezackten oder abgerundeten Ränder bestimmen die untere Betriebsfrequenz; während die obere Betriebsfrequenz von der Oberflächenrauheit abhängt.

Die Richtcharakteristik der Speiseantenne hat einen direkten Einfluss auf die Größe der QZ, da der Spiegel im wesentlichen die Strahlungscharakteristik der Speiseantenne in die QZ projiziert. Ein Reflektor mit gezackten oder abgerundeten Rändern ist in der Regel mindestens doppelt so groß wie der Prüfling/die QZ, wohingegen ein Reflektor mit scharfen Kanten die drei- bis vierfache Größe der QZ aufweisen muss. Der optimale Abstand zwischen Reflektor und Prüfling liegt bei 5/3 der Brennweite des Reflektors. Eine optimale Brennweite kann aus der Formtoleranz des Herstellers abgeleitet werden, wobei das Verhältnis von Brennweite und Parabolspiegeldurchmesser ungefähr im Bereich von 0,3 bis 1,0 liegt.

Bild 3: Vergleich der QZ-Größe mit einem gemessenem Amplituden-Taper (Kegel) von 2 dB bei 28 GHz mittels eines CATR-Systems mit einem 42 cm x 42 cm Reflektor mit abgerundeten Rändern mit den QZ-Größen direkter FF-Systeme mit Messabständen von 50 cm b
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Bild 3: Vergleich der QZ-Größe mit einem gemessenem Amplituden-Taper (Kegel) von 2 dB bei 28 GHz mittels eines CATR-Systems: ein den QZ-Größen direkter FF-Systeme entsprechender 42 cm x 42 cm Reflektor mit abgerundeten Rändern für Messabstände von 50 cm bzw. 1,5 m. Die Isolinien stellen QZ-Größen für das gleiche CATR-Systems bei unterschiedlichen Amplituden-Taper-Anforderungen dar.

Da die Größe der QZ von den Reflektoreigenschaften abhängt und nicht vom Abstand zwischen Reflektor und Prüfling, ist es so wesentlich einfacher, innerhalb eines begrenzten Raums eine große QZ zu erzeugen. Bild 3 zeigt die nach Amplitude gemessene QZ-Größe von 27 cm bei 28 GHz eines CATR-Messsystems mit einem Reflektor von 42 cm x 42 cm ähnlich dem in Bild 2. Der in Bild 3 gezeigte CATR-Messaufbau lässt sich in einer Testkammer mit Abmessungen von nicht mehr als 2 m x 1,5 m x 0,85 m unterbringen. Ein direktes FF-Messsystem mit der gleichen QZ-Größe würde einen Messabstand von 14,5 m erfordern.

Solche Technologien sind für Tests von Endgeräten oder Basisstationen im 5G-NR-FR2-Bereich von großer Bedeutung, da sie die Anforderungen an die Größe der Testumgebung erheblich reduzieren. Darüber hinaus bietet ein CATR-Messsystem im Hinblick auf die direkte Messbarkeit von HF-Transceiver-Kennzahlen sowohl im Sende- als auch Empfänger-Modus die gleichen Möglichkeiten wie ein FF-System.

Da außerdem die Pfadverluste in einem CATR-Systems nur in der begrenzten Region auftreten, in der sich die Wellen zwischen der Speiseantenne und dem Reflektor ausbreiten, bietet dieses System auch einen besseren Dynamikbereich als ein direktes FF-Messsystem. Im Beispiel von Bild 3 wird ein CATR-System mit einer Brennweite von 0,7 m einem äquivalenten FF-Messsystem mit einem Abstand von 14 m gegenübergestellt. Die resultierende Pfadverlustdifferenz beträgt 26 dB.

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1. Soft- und hardwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen
2. OTA-Bestimmung von Leistungskennzahlen
3. Softwarebasierte NF-Transformationen leisten die TX-Mathematik
4. Nahfeldmessung der Transceiver-Leistungskennzahlen
5. Höherer QZ-Wirkungsgrad
6. Planarwellensynthese: kosteneffiziente OTA-Tests an 5G-FR1-Basisstationen
7. Fazit
8. Glossar

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