Design of a Multiple CATR System for Multiple Angles of Arrival Measurement of 5G mmWave Devices

Corbett Rowell, Benoit Derat and Adrián Cardalda García，罗德与施瓦茨

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摘要：5G的关键在于高频毫米波频段中的数据、速度和可靠性。缺少传统的外部射频连接器让5G设备特性的评估充满挑战。然而，对于需要考虑多个到达角的波束赋形场景，使得测试设置的复杂性又上一层楼。例如，采用新颖的多重紧缩式天线测试场(CATR)，可以显著减少无线电资源管理(RRM)测量所需的空间，同时在所定义的能够覆盖整个无线设备的静区内保持较低的测量不确定度。

在5G FR2毫米波频段中，设备的一些测量用例需要用多个到达角来体现：MIMO、多重冲击波下的RF衰落、同时监测带内和杂散发射、以及RRM。¹ 一个常见的RRM场景是5G无线终端设备监测多个基站的功率电平，并在第一个基站的信号下降到给定阈值以下时切换到其他基站。

假设这些基站位于无线设备的远场范围，通过Fraunhofer公式计算远场距离：

R_FF=2D²/λ

其中R_FF为远场距离，D为静区或被测设备(DUT)尺寸，λ为波长。对于最大对角线为30cm的典型无线设备，在频率为40GHz时，R_FF约为24m。尽管毫米波天线阵列模块的口径为1-2cm，但通常需要几个模块放置在设备内部的不同位置，并且可以同时工作，这需要一种“黑盒”的方式，即最小静区受制于设备的最大尺寸。

RRM和RF衰落的测量技术包括使用电缆测量的7GHz以下测试系统；以及24GHz以上时的远场无线空口(OTA)测试系统。尽管电缆测量更为快捷和简单，但并不能像无线OTA测量那样体现真实环境状况。为模拟DUT在远场状况下的多个基站或多个到达角，通常会将探头或发射天线放置在与所需静区尺寸或最小允许测量不确定度相对应的距离处。² 在毫米波频段内测量较大的无线设备，会导致需要占用较大占地面积。如果探头位置与DUT之间的距离远小于Fraunhofer距离，测量不确定度会增加。

考虑一个频率为40GHz的30cm静区，实现探头角度间隔为150度的话，直接远场法的RRM OTA系统需要至少45×12m的空间。另一种选择是使用CATR的间接远场方法，这种方法可以减小测量距离并缩小测量系统尺寸。

本文提出一种新颖的多重CATR (multi-CATR)方法，以减少所需的RRM测量占用空间（长×宽），同时在覆盖整个无线设备的静区内保持较低的测量不确定度。³ 对于30cm的静区，占用空间为4.6m²。这种布置可以模拟多个“基站对”与DUT交互的场景，⁴ 并且这种测量方法的相关性和准确性已经得到证明。

RRM技术规范

3GPP的5G FR2 RRM技术规范定义了五组基站对，以30°、60°、90°、120°、150°的角度位置定位。⁵ 无线设备对于和不同频率或不同时隙的广播配对场景进行性能测量。图1显示了如何使用四个天线探头位置实现角度分布，而不是在0°、30°、60°、90°、120°、150°使用六个天线探头。探头2和探头3用于60°角度分布，探头2和探头4用于120°角度分布。由于3GPP技术规范仅考虑探头成对切换，因此探头布置在同一个平面内。借助DUT双轴转台系统，测量装置可模拟3D多到达角系统。例如，通过结合转台系统的移动和成对探头之间的快速切换，以及单个探头的功率控制，可以模拟移动DUT的动态到达角场景进行测量。

采用这种系统可实现的3GPP RRM测试用例包括相邻小区功率测量、移动场景、波束管理和无线链路监测。RRM测试用例中的基本测量参数是基于同步信号的参考信号接收功率(SS-RSRP) ¹，定义为来自包含同步信号单元的功率贡献的线性平均值。在所有RRM测试场景中，无线设备均会使用每个小区测得的SS-RSRP做出决策。

CATR反射面设计

CATR使用抛物面反射面，在焦点处放置馈源天线，将球面波前转换为平面波分布，反之亦然（图2）。在本文讨论的测试系统中，CATR反射面针对30cm静区设计，尺寸为52×54cm。反射器采用混合卷边设计，以便最大程度减少静区内的衍射和散射并缩小系统尺寸。⁶ 卷边设计的反射面最低频率设计为6GHz。频率上限为200GHz，由表面粗糙度Rq<1µm和算术平均表面粗糙度Ra<1.6µm确定。反射面焦距为70cm，以便最大程度缩小系统尺寸。使用双极化圆形扼流槽波纹喇叭作为馈源天线以补偿短焦距，该天线在23.45-44.3GHz之间具有60度的半功率波束宽度。圆形扼流槽波纹喇叭由波导正交模转换器实现两个正交极化的馈给。

间接远场CATR系统与直接远场系统一样，可以对RF收发器在发射和接收模式下进行实时测量，测量不确定度取决于测试装置的动态范围。CATR系统的动态范围可以远大于直接远场方法的动态范围。这种提升源于CATR系统的自由空间路径损耗较低，因为球面波在馈源和反射面之间的传播距离有限。间接远场系统内的RF电缆通常比直接远场系统的短，因为CATR馈源天线通常安装在靠近暗室墙壁或地板的位置。

多重CATR设置

设计了具有3D定位系统的多重CATR系统，可最大程度地减少系统占用空间，同时将静区尺寸增加50%（图3）。反射面和馈源天线分别用激光与转台系统上的静区中心对准，可减少由馈源和反射面错位引起的测量不确定度。多重CATR系统的静区均匀性可采用两种方法评估：3GPP规定的的静区特性方法和2D振幅与相位的场扫描，用于提取线性锥度和纹波。

3GPP方法需要在322个独立的DUT角度和空间位置所测量的3D方向图结果，总辐射功率变化限制在0.6dB。3GPP静区测量不确定度指标包括一些因素，例如定位的影响、馈源错位、暗室尺寸、吸波材料厚度以及暗室内放置的诸如通信天线等其他物体的影响。FR2频段的平均锥度和纹波分别为0.8和0.2dB。3GPP静区质量测量不确定度的测量使用英联微波的LB180400-10低增益喇叭天线替代DUT，根据3GPP规范进行计算，在23.45-40.8GHz结果平均为0.3-0.4dB，交叉极化平均不确定度小于0.07dB。⁷

如图3所示，在垂直多重CATR系统中，四个CATR布置在一个可移动式电波暗室内，位于DUT上方垂直弧线上指定的探头角位置，DUT安装在3D转台系统上。为防止相邻卷边的散射进入静区，在所有相邻的反射面之间以及反射面下方150度放置吸波材料挡块。系统占地面积为3.25×1.4米，高度为2米。频率为40GHz时，自由空间路径损耗为62.15dB，对于30cm直径等效静区，动态范围与直接远场方法相比提高近30dB，直接远场测试距离为24米，自由空间路径损耗为92dB。

测量

将带有八根电缆的四个双极化CATR馈源天线连接到R&S OSP120射频开关平台上，将电缆输出到对应的台式测量设备以及垂直多重CATR设备。这样，测量仪器就可以连接到任何单个或成对馈源天线的极化，切换时间低于10毫秒。系统可以进行两套测量：

使用CW的非信令测量——四端口R&S ZVA67矢量网络分析仪使用20dBi标准增益喇叭作为DUT，测量天线增益方向图。该测量设置可以评估不同频率下不同反射面之间的增益方向图的相似性。

使用有源无线设备的信令测量——使用非独立组网(NSA) 5G无线设备监测单个位置上不同配对基站对之间的信号电平。在NSA模式下，5G无线设备使用LTE基站进行设备信令传送和控制。多重CATR系统中的LTE通信天线是R&S TS-F24V3单极化维瓦尔第天线，连接到R&S CMW500通信测试仪，用于LTE信令。CMW500无线通信测试仪向5G无线设备发送和接收5G FR2基站信号。

图4展示使用非信令CW信号测得的天线方向图。为简洁起见，仅显示28GHz和40GHz标准增益喇叭天线的H平面方向图。四个反射器在这两个频率上的方向图相似，证明了本文提出的多重CATR概念具有适用性。

最后一套测量使用多重CATR系统对支持5G FR2频段的商用无线设备进行测试，评估了两个有源小区场景中SS-RSRP测量的精度。按照3GPP TS38.533附件G的建议⁵，重复测量33次以达到统计显著性。（有关其他测量场景的讨论之前已发表，未包括在本文中。³）

在具有两个有源基站小区的RRM测试场景中（无线设备有两个到达角），每迭代20次，发射功率电平变化±10dB，以确定无线设备是否可以同时准确监测两个基站。此场景采用0度和90度的CATR装置，放置无线设备时使其后部面向45度，即两个CATR装置之间。即使其中一个基站的功率明显高于另一个，该无线设备仍然可以同时接收多个方向的信号（图5）。测量结果显示，发射功率较高且信噪比较大时，两个小区的报告均在预期SS-RSRP的1dB范围内，而发射功率较低和信噪比较小时，两个小区的报告也均在预期SS-RSRP的1-3dB范围内。此商用无线设备不同方向的增益和极化未知，但商用产品仍然满足假设的3GPP要求的预期。

图5显示在10dB发射功率之间切换回报正确，没有延迟。最低预期SS-RSRP电平为-124dBm，低于3GPP定义的参考灵敏度限制，商用无线设备的内部噪声导致发射功率较低时产生较高测量误差。小区1的SS-RSRP报告整体高于小区2，与第一个RRM测试场景结果相符，30度位置的反射面的SS-RSRP报告也高于150度位置的反射面SS-RSRP报告。综上所述，从设备顶部接收信号时，商用无线设备具有更高的天线增益，这与天线模块的位置一致。

结论

本文提出的多重CATR系统可精确测量无源非信令或有源信令模式下运行的不同类型DUT，并可精确测量单个到达角和同时测量多个到达角。本文提出的系统使用多重反射面以及不同类型的测量仪器和信号，静区测量误差较低。通过最大程度减少相邻反射面间的干扰，可以使用单个测量系统进行RF和多角度测量。因此，该多重CATR系统可实现一系列新应用：

·         通过为每个反射面使用单独的收发器，可以进行空间MIMO测量。

·         通过使馈源进一步远离焦点，将平面波方向偏移5到10度，可以构建RF衰落场景用于5G无线设备特性测量。

·         针对6G提出的智能反射面(IRS)，可以通过指定一个子集的反射面作为基站、其余子集作为用户设备来测量，完整评估位于远场内的每个用户和基站之间彼此的IRS性能。

·         使不同角度反射面的馈源天线工作在不同的频段中，可同时进行6-140GHz的宽带测量，这对于测量带内辐射的带外杂散发射性能非常重要。

致谢

感谢以下为概念性讨论和测量提供协助的罗德与施瓦茨团队成员：Jose Fortes、Engelbert Tyroller、Anes Belkacem和Mert Celik。

参考文献

1.            Requirements for Support of Radio Resource Management, document V16.0.0 TS 38.133, TSG RAN; NR, 3GPP, 2019.

2.            Verification of Radiated Multi-Antenna Reception Performance of User Equipment (UE), document TR 37.977, V14.5.0, 3GPP, 2017.

3.            C. Rowell, B. Derat and A. Cardalda-García, “Multiple CATR Reflector System for Multiple Angles of Arrival Measurements of 5G Millimeter Wave Devices,” in IEEE Access, vol. 8, pp. 211324-211334, 2020,.

4.            On IFF Method for Multi-AoA Test Setup for RRM, document RAN5 #85, R5-198221, Rohde & Schwarz, 2019.

5.            UE Conformance Specification; Radio Resource Management (RRM), document TS 38.533, 3GPP, TSG RAN, NR, V16.1.0, 2019.

6.            W. Burnside, M. Gilreath, B. Kent, and G. Clerici, ‘‘Curved edge modification of compact range reflector,’’ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. AP-35, no. 2, pp. 176–182, Feb. 1987.

7.            User Equipment (UE) Conformance Specification; Radio Transmission and Reception; Part 2: Range 2 Standalone, document TS 38.521-2, 3GPP; TSG RAN; NR, V16.5.0, Annex O.2.1, Oct. 2020.

图1：3GPP RRM规范要求的五个基站对可以使用四个天线来实现。

图2：典型CATR概念

图3：多反射面CATR系统，包括四个反射面，这些反射面的组件位于屏蔽全波暗室内。

图4：在28GHz（a）和40GHz（b）频率下20dBi标准增益喇叭DUT的垂直多CATR系统天线方向图测量。

图5：RRM测试展示了不同到达角到达DUT报告两个小区的频间SS-RSRP的结果。