OTA是什么?为什么要进行OTA测试？

OTA是什么意思?

OTA是Over The Air的缩写。从英文单词的原意就可以看出，OTA测试就是空口测试。不同设备之间的信息传输需要通过接口实现，通过电磁波在空气中传播的，就叫做“空口”。

OTA测试

OTA测试是为了评估被测设备DUT的“空口”性能。OTA测试的时候信号是从空口发送或接收到的，而不是通过传导线连接的测试。它是直接对手机无线信号辐射性能好坏的测试。

常见的有两种连接方法中，一种是RF（Radio Frequency）射频传导测试，另一种就是OTA测试，即通过一组（发射天线和接收天线）进行连接，无需连接任何线缆。

为了使用任何测试设备对设备进行测量，您需要一种将设备连接到测试设备的方法。而OTA是一种将设备连接到测试设备的方法。简而言之，天线OTA测试是通过一对天线（发射天线和接收天线）的连接方法。

天线OTA测试

手机天线射频性能测试中越来越关注整机辐射性能的测试，这种辐射性能反映了手机天线的最终发射和接收性能。目前主要有两种方法对手机天线的辐射性能进行考察：一种是从天线的辐射性能进行判定，是目前较为传统的天线测试方法，称为无源测试：另一种是在特定微波暗室内，测试手机天线的辐射功率和接收灵敏度，称为有源测试。OTA测试就属于有源测试。

什么是 MIMO OTA测试？

4G 时代，现在标准中讨论的 MIMO OTA测试主要是针对无线终端的，如手机，平板电脑等。在介绍 MIMO（Multiple Input Multiple Output）OTA测试之前，比较早期的终端主要采用单天线的技术，也就是说手机上只有一根天线用于发送/接收信号。对于 SISO OTA测试，主要是在吸波暗室里做辐射功率和接收机灵敏度的测试，并不需要无线衰落信道环境的模拟。

但是随着技术的发展，在 4G终端至少引入了两个天线来接收下行信号，就是所谓的 MIMO技术 。MIMO技术的引入是为了利用不同 发射天线和接收天线之间无线信道的分集特性来提高系统的信道容量，从而达到增大传输速率或提高传输性能的目的。正因为是利 用了无线信道的环境，对于 MIMO OTA测试中最重要的部分是对于无线传输环境的模拟。MIMO OTA测试就是在暗室中准确地对无线传输环境进行模拟，然后在模拟的无线传输环境下对待测件进行性能测试。

为什么要进行OTA测试？

OTA测试主要是评估两个最主要的指标：
1. 发射机的总辐射功率，即把信息“送出去”的能力；
2. 接收机的复合总全向接收灵敏度，即“接收”信息的能力。

因为这些指标直接关系着产品质量和用户使用体验，因此，很多手机厂商此前已经对产品的无线OTA性能作了严格要求。随着物联网产品的无线化、智能化、多样化发展，以及对客户体验的逐步重视，一些非手机类厂商也逐渐对自家产品提出OTA性能要求。

不管是对于基站或是终端来说，天线是其重要的组成部分。只有通过OTA测试才能得到无线设备的最终性能。

到了 5G，不管是高频段或是大规模天线阵列的应用，以及器件和天线的高度集成，并没有合适的接口做传统的线缆连接测试，所以一些射频指标的测量也必须通过OTA空口测试进行。

5G基站分类

我们首先来看5G基站的分类，从路径损耗或者我们说是传输距离的角度我们可以分成宏基站，小基站，甚至更小的皮站。

3GPP基站标准和类型 - OTA测试是未来的测试方向

3GPP又把基站分成三种类型，分别对应的测量方法有所不同。

• 1-C指的是传统的基站，天线数比较少甚至单天线，这样的基站基本是sub 6G的，用传导的方式来测量。

• 1-H 第二种就是新型的massive mimo基站，射频单元出来的端口数很多，FR1还是传导的方式，但是beamforming的测TRP测方向图之类的就需要OTA。OTA是未来的测试方向。

• 第三种基站，同样是包含了收发信单元阵列（TRXUA），射频分发网络（RDN）以及天线阵列（AA）这三个模块，但它们已经紧密融合成了一个不可分割的整体，不像1-H可以分离，所以不能接受传导，只能接受OTA测试。

5G的mMIMO，动辄64T、32T，要通过RF传导方式完成RF测试所需要耗费的线缆连接器数量那就不是一个数量级的了。尤其是对于FR2（毫米波频段），要准确测试RF性能，对线缆和连接器的RF要求很高。

空间上受限。可能对于FR1的mMIMO，用RF传导的方式测试，还不是不可接受。但对于毫米波，有尺度效应的问题。毫米波的天线模块整体尺寸较小，无法容纳64套线缆连接器。

传统RF传导无法准确测试5G某些新需求。如我们要测试天线阵列的波束方向这些特性，OTA测试明显是最佳选择。

OTA测试的主要方法

OTA测试的方法主要有直接远场法、间接远场法、近场测试方法等。

近场远场暗室

下面就是近场远场暗室图。终端测量一种是传导，直接连电缆。另外一种就是放在暗室里面，我们叫OTA测试。5G毫米波测试都是基于OTA测试形态，测试系统主要包括微波毫米波暗室、测试仪器、相关配件以及主控单元。暗室就是把发射天线直接辐射到接收天线主波束区以外的射频能量,尽可能地吸收或改变其反射方向，使它不进入接收天线的主波束区，就是在接收天线所在区域内提供近似无反射的静区。

近场远场暗室图

天线的辐射根据辐射区远近可以分为感应场区、近场区和远场区。在辐射远场区，天线方向图随距离的变化较小，场强比较稳定。

1. OTA测试直接远场法（ Direct Far Field, DFF）

天线特性通常在远场测量。近场区和远场区由 Fraunhofer距离

其中 D 是最大辐射区域口径尺寸

远场测试在整机测试下对测试环境有较高要求。

举个例子，一个尺寸为 5cm（Category 1）工作在 28 GHz的天线模块所需的远场测试距离为 0.47m。当一个尺寸为 15cm（Category 3）工作在 28 GHz的智能手机作为待测件时，远场测试距离为 4.2m。

下图是一种常见的终端直接远场测试方法。

此图显示 UE的直接远场测量测量设置，终端天线布局可以分为 3个 Category。根据天线布局，表1 给出针对三种不同情况下的终端设备，推荐采取的测试手段。

表1 三种终端天线布局下推荐测试手段

换言之，针对类别 1 和类别 2，设备供应商或制造商需要提供天线的确切位置，以便于进行天线的整体性能测试和整机辐射性能测试，例如波束赋形的水平。实际上，天线的确切位置对于设计和调试而言同样十分关键。不过，对于类别 3 而言，关注更多的是设备的整机性能。在这种情况下，天线的位置可以不必确切知道，测试时整个设备将会作为 “黑盒 ”处理，但测试静区要大于 15cm。不同频率不同天线口径下根据远场条件计算得到的远场距离和路径损耗在表 2 中给出。

表 2不同频率不同天线口径下的远场距离和路径损耗情况表

从表 2中可以看到，在天线口径 D=5cm，频率 f=28GHz时，远场距离为 47cm，路径损耗值为 54.8 dB。随着天线口径的增加，远场距离迅速增加，这将增加远场暗室的尺寸和成本。同时，路径损耗也在相应增加。比如表中给出的在频率 f=100 GHz、远场为 167 cm下的路径损耗为 76.9 dB。远场距离的增加导致路径损耗的增加，这对测试系统的动态范围提出更高的要求。

2. OTA测试间接远场法 (Indirect Far Field, IDFF)

间接远场的基本设想是在短距离内，在指定的静区范围采用物理方法建立远场条件。紧凑型天线测试范围（ CATR）或紧缩场测试范围使用反射器将球面波转换成平面波，反之亦然。由于静区大小取决于反射器特性而不是远场测试距离，因此只要选择合适的反射面，就能够建立一个比远场更紧凑的测试环境。

（1）紧凑型天线测试或紧缩场测试

紧凑型天线测试范围（ CATR）通过抛物反射面的方法创造出远场条件的测试方式叫做紧凑型天线测试(CATR）或紧缩场测试。

OTA测试紧缩场测试法原理

紧缩场测试法是远场的一个变形。紧缩场测试法的原理是采用一个精密的反射面，将喇叭天线产生的球面波在短距离内变换为平面波，从而满足测试要求，相较于远场测试，紧缩场测试大大缩短了远场测试距离，为大型散射体的测试带来了便利。采用紧缩场测试还可以减小路径损耗，从而相较于直接远场法获得更大的动态范围。

紧缩场测试方式如下图所示。为了在测试静区得到想要的平面波，紧缩场法通过反射器将球面波变换到平面波。这种间接测试方法是基于光学变换原理并且是互易的，也就是说设备的收发测试均可以通过这种方式进行。这种方法已经被 3GPP采纳，作为有源天线系统（Active Antenna System, AAS）基站侧（ Base Station, BS）的射频测量和 5G 终端射频测量的标准测试方法。紧缩场解决方案可以针对 FR2 中的所有频段。

这种测量方法的关键组成部分包括反射器、转台、测量探针天线和链路通信天线。反射面的设计是紧缩场测量方法的关键，要采取合适的手段将边角的绕射效应降到最低。

两种常用的手段是：锯齿状边角设计和卷边边角设计。

采用锯齿状边角设计的抛物面，使得电磁场在抛物面反射器和自由空间中平滑过渡，从而减小了抛物面的边缘绕射，绕射波也将远离测量静区。锯齿长度视最低频率而定，典型值为 5倍于最低频率波长。

卷边边角是将抛物面的边缘向后弯曲，这种结构上的光滑过度会降低抛物面反射器的边缘绕射。

转台系统可以调整标准双极化天线与待测设备之间的角度。转台系统必须可以有两维的旋转自由度。在紧缩场测试系统中，转台和待测设备一样，是放在测试静区内。静区内的电磁场变化较小，其范围大小决定了可以测量的设备的最大尺寸。静区的大小是由抛物面反射器的大小决定的。

馈源测试天线放在暗室的合适区域给抛物面反射器馈电。电磁波从馈源天线发出，经过反射面反射到测试静区，供给待测设备系统接收测试。相反，馈源接收待测设备系统发射，经过反射面反射的信号，完成发射测试。

紧缩场间接远场测试的优点

紧缩场间接远场测试的优点是可以缩短远场距离，减小了路径损耗，同时又能形成远场情况下的平面波条件。设备的动态范围是 OTA测试的关键，尤其针对毫米波系统的测试。大的传输损耗将会给设备的动态范围提出更高要求和挑战，采用紧缩场测试可以减小路径损耗，从而相较于直接远场法获得更大的动态范围。

（2） 平面波变换测试方法（PWC）

一维/二维PWC 短距暗室测量方法如图3 所示。它和紧缩场暗室测试方法十分类似。但不同的是，紧缩场暗室方法是通过馈源和反射面在测量静区形成的平面波，这里是采用特殊的一维探针天线产生平面波。这样的好处是既缩减了测试距离，同时又避免了紧缩场方案中抛物面反射器的设计难度。

探针系统是采用一维/二维天线阵列，阵列一端连接到矢量网络分析仪。通过优化发射单元的幅度和相位，在接收端形成垂直极化的平面波测试静区。由于无需进行近/远场的二次变换过程，这种测试方法不需要待测设备全部的俯仰角和方位角的场值信息。

3 OTA近场测试方法（ Near Field，NF）

替代远场测试的另一种手段是采用近场测试，并通过近-远场数学变换（ NF-FF）的方法将近场数据变换到远场。这样，对测试场地的需求将大幅减小，同时，采用近-远场变换仍能保证和远场直接测量准确度相当的测试结果。

天线系统的辐射场区可以划分为三部分：感应场区、辐射近场区和辐射远场区 ,如下图所示。同远场区相比，辐射近场区与远场区有相同的电磁场辐射模式，所以用近场测得的数据确定远场量是可行的。为了减小待测天线系统与测试探针天线之间的耦合，近场测量均是辐射近场区域进行而不是感应场区。

场测量需要对待测系统的闭合辐射面（球面、球柱面、立方柱面）进行幅度和相位的空间采样测量，为的是利用这些数据进行傅里叶变换。

近场测试方式通常借助于矢量网络分析仪系统进行。矢网一端接待测设备，另一端接标准测试探针天线。对于5G 毫米波终端设备，通常情况下是没有办法将矢网一端口与天线端口相连接，在这种情形下，必须想办法提取出设备辐射口径面上的场值幅度/相位信息，才能进一步做近-远场变换。

近场测试需要对待测系统的闭合辐射面（球面、球柱面、立方柱面）进行幅度和相位的空间采样测量，为的是利用这些数据进行傅里叶变换。

近场测试方式通常借助于矢量网络分析仪系统进行。矢网一端接待测设备，另一端接标准测试探针天线。对于5G 毫米波终端设备，通常情况下是没有办法将矢网一端口与天线端口相连接，在这种情形下，必须想办法提取出设备辐射口径面上的场值幅度/相位信息，才能进一步做近-远场变换。

传统近场OTA测试技术步骤是首先测量包围系统近场辐射面上电磁波场值幅度、相位大小，然后进行近-远场变换（NF-FF）得到远场数据。近-远场变换需要知道近场辐射面上所有的幅度和相位信息才能得到远场的辐射方向图，这意味着远场数据只能在近场扫描之后完成。

间接测量远场辐射的挑战

尽管近场扫描加上近-远场变换技术已被广泛接纳并成为一种成熟可靠的间接测量远场辐射方向图的手段，但其仍然面对着一些挑战：

1）根据3GPP 的测试标准和定义的测试指标，诸如EIRP、EIS 等指标是针对特定辐射方向进行的。如果用传统的近-远场测试手段，在进行近-远场变换前，仍然要测量全部的包围面上的幅度/相位信息才行。

2）至今为止，NF-FF 变换只针单音连续波。如何将近场测量到的5G 宽带调制信号信息变换到远场，仍然是一个开放性问题，亟待研究解决。一种解决的手段是采用中场测量方案。

什么是辐射中场？

辐射中场（Mid-Field，MF,）定义为待测设备和测试天线的距离在待测天线阵天线单元的远场区，但在整个天线阵的辐射近场区。在这个区域内，波束的等效全向辐射功率（EIRP）和在远场情况下相同，方向图的零点位置也同远场方向图一致。这就意味着在中场距离测得的辐射方向图和在远场条件下测得的方向图大致吻合，但在不同波束指向下的增益值与远场测得的略有不同。所以天线阵的中场距离比近场稍远，通常在

之间，也即1/8 的远场。

另外，针对毫米波终端设备的产线测试，一种“极近场”技术也有相关研究。终端设备产线测试的特点要求测试速度快、测试设备体积小、测试结果具有一定程度的准确性等特点，对OTA 测试技术提出了更大的挑战。“极近场”测试以期在单元辐射的感应近场区（Reactive Near-Field）实现阵列的诊断与射频指标的测试。但是，由于测试探头距离待测设备距离太近，可能会对待测设备的天线产生影响，影响测试结果。“极近场”探头的设计、测试结果中各种影响因素的去嵌、测试方法与测试系统的设计等都是“极近场”测试要解决的问题，这种方法成熟度相对不高。

未来OTA测试中，我们可能会遇到哪些的挑战？

在 4G 之前，OTA测试主要针对终端。在 4G 时代，由于基站侧射频和天线有连接的接口， 对基站侧射频指标的测量主要是通过线连的方式进行的，基站天线部分的性能用传统的天线测量方法进行的。因此对于 4G MIMO OTA测试的讨论主要是集中在终端这一侧。

5G 时代，无论基站还是终端，都需要进行 OTA测试。由于 Massive MIMO 技术在 5G 中的使用以及毫米波频段的引入，基站侧的大部分指标测量同样需要在空口下进行。因此不管是基站还是终端侧，我们都将遇到非常大的挑战。

我们认为这些挑战从宏观上来分析,可以被分为三类

第一类 测量指标的定义

第二类 测量方法的选取

首先是暗室（或者是场）的选取，虽然在已有的 AAS测试系统中，已经有了关于远场/近场/紧缩场/一维紧缩场等的很多讨论，也有了一些对辐射功率和灵敏度测量所需用场的建议，但是这些场都各有优缺点。在搭建具体的测量系统时，都会碰到各自的挑战。

在未来 5G系统中，由于器件的高度集成，空口OTA测试时有很多有源器件，而传统的天线测量主要是做无源测试。怎么解决多通道有源器件的空口校准问题也是很大的挑战。

当测量通道数非常多的时候，怎么提供经济有效的测量方案来控制可以接受的测量成本和测试时间 。选取什么样的测量方法可以尽量做到实验室的测试结果与现场测试结果的匹配

“通过 5G OTA暗室，您能够对移动设备进行准确的 OTA测试，包括 3GPP/CTIA 一致性测试、天线测试以及在衰落条件下的全面设备性能测试。”

第三类 测试接口的改变

未来 5G 由于走向高频段，射频前端和天线高度集，没有传统上用来测量射频指标的接口，这样意味着原来在线连方式下做的各通道的射频指标的测量要移到空口下去做。这个测量接口的改变会给射频性能测量带来很大的挑战。

5G 为了针对各种应用，基带与射频之间的接口也发生了变化。需要定义新的基带信号的测量接口。在标准化中需要定义新的测试接口（命令或协议）：由于 5G 中很多待测件的射频性能指标及功能性测试都需要在空口下进行，需要定义一些新的测试接口，这样不同厂家的产品可以遵循相同的测试接口定义进行测试，才有利于 5G测试行业的发展。

需要更多OTA测试方案，请联系是德科技 www.keysight.com.cn