5G毫米波射频前端测试：OTA暗室与波束成形性能验证

一、引言

随着5G技术的快速发展，毫米波频段因其丰富的频谱资源成为5G通信的关键频段之一。然而，毫米波信号的高路径损耗和易受环境影响等特性，对5G毫米波射频前端的性能提出了更高要求。OTA（Over-The-Air）测试作为一种无缆测试方法，能够更真实地模拟无线通信环境，在5G毫米波射频前端测试中发挥着重要作用。波束成形技术作为5G毫米波通信的关键技术，其性能验证对于确保通信质量至关重要。

二、OTA暗室环境搭建

（一）暗室设计

OTA暗室需要具备良好的电磁屏蔽性能和低反射特性，以减少外部干扰和内部反射对测试结果的影响。暗室通常采用吸波材料覆盖内壁，以吸收多余的电磁波。同时，配备高精度的定位系统，用于精确控制被测设备（DUT）的位置和姿态。

（二）测试设备配置

测试设备包括信号发生器、频谱分析仪、功率计等。信号发生器用于产生5G毫米波测试信号，频谱分析仪用于分析DUT的发射信号特性，功率计用于测量信号功率。

三、波束成形性能验证方案

（一）波束扫描测试

通过改变DUT的波束指向，测量不同方向上的信号强度，以验证波束成形能力。以下是一个简单的Python代码示例，用于模拟波束扫描测试过程：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 定义参数

num_angles = 360  # 扫描角度数量

theta = np.linspace(0, 2 * np.pi, num_angles)  # 扫描角度

gain_pattern = np.zeros(num_angles)  # 波束增益模式

# 模拟波束增益模式（假设为理想波束）

for i in range(num_angles):

   if abs(theta[i] - np.pi) < np.pi / 18:  # 主瓣方向

       gain_pattern[i] = 10

   else:

       gain_pattern[i] = -10

# 绘制波束增益模式

plt.polar(theta, gain_pattern)

plt.title('Beam Pattern')

plt.show()

在实际测试中，通过控制DUT的波束成形算法，改变波束指向，使用频谱分析仪测量不同方向上的信号强度，得到实际的波束增益模式。

（二）波束切换时间测试

测量DUT在不同波束状态之间切换所需的时间，以评估波束切换性能。可以通过高速示波器捕捉波束切换过程中的信号变化，计算切换时间。

（三）波束稳定性测试

在长时间运行过程中，监测波束的指向和增益是否保持稳定。可以使用数据记录仪记录波束参数的变化情况，并进行统计分析。

四、测试流程

设备连接与校准：将DUT与测试设备连接，进行系统校准，确保测试设备的准确性和稳定性。

波束扫描测试：按照预设的角度范围进行波束扫描，记录每个方向上的信号强度。

波束切换时间测试：执行波束切换操作，使用示波器测量切换时间。

波束稳定性测试：让DUT长时间运行，持续监测波束参数。

数据分析与处理：对测试数据进行分析，评估波束成形性能是否满足要求。

五、测试结果与分析

通过对测试数据的分析，可以得到波束增益模式、波束切换时间和波束稳定性等性能指标。如果测试结果不满足要求，需要对DUT的波束成形算法或硬件设计进行优化。例如，如果波束增益模式存在旁瓣过高的问题，可以调整波束成形权值，降低旁瓣电平。

六、结论

OTA暗室为5G毫米波射频前端的波束成形性能验证提供了可靠的测试环境。通过波束扫描、波束切换时间和波束稳定性等测试项目，可以全面评估波束成形性能。在实际应用中，需要不断优化测试方案和测试设备，提高测试效率和准确性，以确保5G毫米波通信的质量和可靠性。