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Mess- und Prüftechnik / 5G-OTA-Tests

Soft- und hardwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen

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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

OTA-Bestimmung von Leistungskennzahlen

Die Leistungskennzahlen sowohl der Antennen als auch der Transceiver müssen über die Luftschnittstelle (Over the Air, OTA) gemessen werden: Effective Isotropically Radiated Power (EIRP), Total Radiated Power (TRP), Effective Isotropic Sensitivity (EIS), Total Isotropic Sensitivity (TIS), Error Vector Magnitude (EVM), Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR), Spectrum Emission Mask (SEM). Entscheidend bei der OTA-Messung dieser Kennzahlen ist die erforderliche Messentfernung.

Die Antennencharakteristik wird üblicherweise im Fernfeld (FF) bestimmt. Bei direkter FF-Abtastung müsste ein 75-cm-großer Massive-MIMO-Prüfling mit einer Sendefrequenz von 2,4 GHz gemäß dem Fraunhofer-Distanz-Kriterium (FHD) $R equals fraction numerator 2 D squared over denominator lambda end fraction$ in einer Testkammer vermessen werden, die einen Abstand von mindestens 9 m zulässt. Selbst ein 15‑cm-Smartphone mit einer Sendefrequenz von 43,5 GHz würde einen Messabstand von 6,5 m erfordern. Dieser Abstand ist notwendig, um einen Raum zu schaffen, der den Prüfling umfasst: die sogenannte Quiet Zone (QZ; Ruhezone). In dieser QZ sollte das auftreffende elektromagnetische Feld so gleichförmig wie möglich sein und annähernd eine ebene Welle mit einer Phasenabweichung von weniger als 22,5° darstellen.

Theoretische Überlegungen [2] zeigen, dass sich Fernfeldeigenschaften im Bereich der maximalen Richtwirkung tatsächlich bereits in wesentlich kürzerem Abstand manifestieren können als durch das FHD-Kriterium definiert. Gemäß der gewonnenen Resultate lässt sich beispielsweise die Fernfeld-EIRP oder die EIS eines 15-cm-Prüflings mit 24 GHz Sendefrequenz bereits in einem Abstand von 1,14 m bestimmen. Diese Verringerung des Abstands um etwa 70% wird jedoch durch einen größeren Longitudinal Taper Error erkauft, verursacht durch die Abweichung des scheinbaren Phasenzentrums vom Mittelpunkt des Messkoordinatensystems. Außerdem können bei kürzeren Abständen die Nebenkeulenpegel nicht präzise bestimmt werden [3].

Direkte FF-Messungen mit kürzeren Abständen sind nicht für alle Anwendungen praktikabel; sie bieten sich jedoch an, wenn die Bedingungen der Anwendbarkeit bereits bekannt sind. Denn große OTA-Absorberkammern gehen mit hohen Betriebskosten einher und bieten nur einen begrenzten Dynamikbereich. Die Anwendbarkeit wird in der Regel im sogenannten White-Box-Fall bestimmt, bei dem die Position der Antenne innerhalb des Geräts sowie die Apertur bekannt sind.