Choosing an Anechoic Chamber for Over-the-Air mmWave Phased Array Antenna Measurements

Jeanmarc Laurent和Chinh Doan，Milliwave Silicon Solutions Inc.，美国加州圣何塞

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自2005年以来，从我们首次开始为消费类电子产品进行毫米波IC设计起，我们就亲眼目睹了众多新的毫米波解决方案的快速发展和增长，这些解决方案主要面向三个市场：汽车雷达(77至81GHz)、60GHz免许可应用，当然还有28、39和44GHz的5G。由于毫米波传播的特性，这些应用在很大程度上依赖于系统在算法、电路和天线层面的毫米波相控阵波束成形能力。天线设计人员可以独立于系统的其他部分对其设计进行表征和微调的日子早已过去。要优化这些复杂系统的性能，需要不同学科的工程师进行多次反复测量和精心联合设计。此外，模块中的集成天线需要进行空中(OTA)测量，以确定系统的特性(图1)。

图1：毫米波相控阵波束成形测量。

相控阵天线的性能依赖于波束成形技术。优化波束成形性能需要多个学科，这超出了天线设计的范围：波束成形对RFIC设计和控制它的算法有关键的影响。因此，测试毫米波相控阵和波束成形涉及多个领域的专家，从算法软件到基带到射频再到相控阵天线，他们将争相访问测试系统以调整自己的设计。有些测试可能需要数百个小时才能完成；在不同的设置之间切换将更加耗时。随着这种复杂性的增加，由于尺寸、成本和可用性的限制，使用传统暗室进行毫米波OTA测试远非理想的方法。

多个暗室

必须共享一个大的暗室是不切实际的，而且会拖慢开发速度。相反，拥有多个紧凑的毫米波暗室，使OTA测量能够并行进行，而不是顺序进行，效率会更高。通过多年开发和测试毫米波IC，我们了解到，从一个暗室开始是必要的，但对于一个成功的项目来说，是不够的。根据经验，即使现场有一个大暗室，也建议增加两到三个迷你暗室。

尺寸

两个主要因素决定了辐射模式测试暗室的最佳尺寸。首先，测试暗室必须足够大，以便在远场进行测量。第二，发射器和接收器之间的距离应尽可能小，以尽量减少电缆损耗和路径损耗。

在射频/微波频率下，暗室通常是一个边长为3、5或10米的房间。这些房间体积庞大，安装费用昂贵，而且比大多数毫米波系统的远场大得多。例如，28GHz的6厘米阵列的远场距离源约70厘米，因此传统的微波暗室显然是大材小用。由于实验室空间有限，很可能无法安装一个或多个步入式暗室。

小暗室是可取的，因为它们有助于解决这两个问题：电缆长度和实验室可容纳的小暗室数量。由于在毫米波频段的电缆损耗不可忽视，因此较短的电缆能提供更好的信号完整性。另外，如前所述，在实验室中拥有多个暗室可以最大限度地提高设计效率。事实证明，一个紧凑的实验室工作台式暗室足够大，可以满足毫米波测试的远场要求，同时也足够小，可以在一个实验室中容纳多个暗室。

经过多年的实验，我们确定4×3×2英尺是大多数毫米波应用中最通用的暗室尺寸（图2），尽管更高增益的天线可能需要更长的远场距离。模块化暗室设计可以通过叠加将远场扩展到2米以上。在暗室正下方提供仪器托架，可以将测量仪器连接到被测设备(DUT)和探针天线下方，从而将电缆长度和损耗降到最低。

图2：MilliBox MBX02暗室的远场距离为77厘米，尺寸为4×3×2英尺。

框架结构

多年来，典型的射频暗室被制作成一个大的金属箱，内衬微波吸收器和铁氧体材料，有的则是铜网法拉第笼。也许令人惊讶的是，这些对于毫米波测量来说，效果并不好。在毫米波频率下，金属对于测试高增益相控阵是不利的。从我们做毫米波OTA测量的经验来看，我们已经逐渐从测试暗室中淘汰了金属。与金属相比，几乎全部由木头和塑料制成的测试暗室有助于减少杂散反射。我们观察到，测量的精度更多的是受到箱体内部多径的影响，而不是来自外部的噪声和干扰。我们的毫米波天线测试系统的金属（如电机和电线）含量不到1%。

为了进一步消除反射，达到最佳性能，暗室内部应垫上4英寸厚的波纹状毫米波吸收器，并大量装碳。毫米波吸收器可在18至95GHz范围内提供约50dB的衰减，足以将信号限制在室内，并减弱附近暗室或设备的干扰。

费用

在选择测试暗室时，一个重要的因素就是价格，因为每个人的设备预算都是有限的。由于一个测试暗室是不够的，如果把全部预算都分配给它，工程师排队用它，开发工作就会被拖延。一个传统的毫米波测试暗室的价格在20万美元以上，这是一项重大的投资，很难有理由购买多个这样的测试暗室。为了获得更多的暗室，研发团队可能会自己动手（DIY）搭建测量装置。用在当地五金店购买的材料和网上购买的电机和吸收器，虽然材料成本很低，但权衡之下，性能和可靠性是不可预知的。最重要的是，DIY工作分散了产品开发和相关测试的设计工作。虽然建造一个一次性的测试暗室可能是可行的，但很难将这个方法扩展到建造多个测试暗室。

电缆损耗和布线

在设计阶段必须仔细考虑从仪器到DUT的布线，特别是对于毫米波测量，以避免在为毫米波相控阵应用的暗室和3D定位器布线时出现两个主要问题：

第一个问题与暗室大小有关：如果暗室过大，电缆长度和由此产生的损耗就会非常大。为了最大限度地减少损耗，可将仪器放置在暗室内。然而，这可能会导致反射或产生干扰，降低测量的质量。对于更紧凑的暗室，仪器被放置在外面，布线通过墙壁，传统上使用隔板连接器面板完成。然而，这些连接器是有损耗的，并限制了连接到DUT的类型和数量。我们的方法是在3D定位器和喇叭天线柱下面的暗室地板上简单地开一个8厘米直径的孔，这使得电缆可以直接连接到暗室下面的仪器舱。这并不会限制布线的选择。

第二个问题与在3D定位器上移动DUT有关。大多数3D定位器和转盘是简单的机械夹具，专注于DUT的运动和定位。他们很少优化进出DUT的电缆路由，这往往导致电缆缠绕。使用旋转接头或滑环的常见解决方案可能对毫米波信号或使用USB或带状电缆的DUT控制线不实用。我们设计了毫米波3D天线定位器以适应电缆路由：所有旋转轴的中心都是中空的，因此电缆可以穿过，在DUT运动过程中产生的应力较小（图3）。在选择OTA测量装置时，不应低估电缆路由的重要性。

图3：专为电缆布线设计的GIM03毫米波3D天线定位器

硬件/软件的灵活性

在多年的毫米波设计工作中，我们知道计划会改变，需求也会发展。OTA测量解决方案要么太过定制，要么太过标准，缺乏灵活性会限制系统的实用性。最好的解决方案通常介于两者之间。

许多毫米波测试暗室作为一个完整的解决方案捆绑在一起，硬件和软件完全集成。供应商提供的软件已经完全实现了一套预定义的测量。作为交钥匙解决方案，这是一个优势，软件经过优化，可以使用预先确定的测试参数来控制测试设备，而且用户不需在软件开发上投资。然而，如果所需功能不可用、公司更愿意使用其现有设备、或者工程师希望自由选择DUT的设备和测试方法，而不是由设备供应商决定如何测试时，这就是一个缺点。

模块化、灵活的替代方案

从我们开发毫米波IC的经验来看，面对这些测试和测量的权衡，我们开发了一种模块化的暗室，称为MilliBox，我们设计这种暗室是为了提供一个灵活的解决方案，以支持多种场景（图2）。MilliBox测试暗室是模块化的，如果需要的话，可以增加模块来增加远场距离，以超过单个模块的77cm。由于DUT具有不同的尺寸和重量，我们开发了三种标准的3D毫米波天线定位器，兼容所有软件（图3）。

MilliBox不与任何仪器厂商挂钩。一个Python软件平台提供了控制毫米波3D定位器和测量仪器的能力。源代码包括一个虚拟仪器软件接口和使用频谱分析仪或矢量网络分析仪设置的完整实现示例。虽然具体的命令在不同的仪器供应商之间会有所不同，但该平台可以直接为任何一组仪器编写命令。Python是免费的，可以在任何操作系统上运行，是测试自动化最流行的语言。这个软件框架的一个关键优势是它可以很容易地被用户扩展，这意味着DUT和任何仪器的控制都可以集成到一个框架中。例如，在扫频过程中捕获或设置DUT的相位向量，可以深入了解系统性能。

总结

开发毫米波系统并需要进行OTA测量的工程师在选择哪种类型的暗室最能满足他们的需求时，有几种选择（表1）。几代以来，传统微波暗室一直是天线辐射模式测量的首选解决方案。在寻找解决方案以满足我们自己的OTA测试需求时，我们发现传统暗室和其他现有的选择由于其成本、尺寸等因素而无法扩展。对我们来说，最重要的要求是可扩展性，以支持需要频繁使用OTA测量以优化波束成形性能的工程师团队。

表1：毫米波暗室的选择

我们的探索让我们开发出了MilliBox，它的设计是紧凑、经济和灵活的，弥补了传统毫米波暗室和DIY解决方案之间的差距。MilliBox的精度和重复性优于DIY解决方案，价格比典型的毫米波暗室低一个数量级。并且考虑到设计和建造DIY暗室所需的工作量，与DIY解决方案相比，MilliBox也具有竞争力。