CN108966264A - 对大规模多入多出无线系统执行空中测试的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于测试待测设备的测试系统包括：信号处理器，其配置为产生多个独立信号，并且将第一衰落通道特性应用于每个独立信号以产生多个第一衰落测试信号；测试系统接口，其配置为将所述多个第一衰落测试信号提供给待测设备(DUT)的一个或多个信号输入接口；第二信号处理器，其配置为将第二衰落通道特性应用于DUT的多个输出信号以产生多个第二衰落测试信号，其中从第一衰落通道特性得到第二衰落通道特性；一个或多个测试仪，其配置为从多个第二衰落测试信号中测量DUT的至少一个性能特性。

Description

对大规模多入多出无线系统执行空中测试的系统和方法
背景技术
通信需求，特别是无线通信需求持续增加。正在开发通常称为“5G通信系统”的下一代无线通信系统，以满足这些需求。5G通信系统采用的一个重要技术涉及使用具有大量输入和输出(有时称为大规模多输入多输出(MIMO)无线通信系统)的基站来服务大量通信用户。大规模MIMO使用大量天线或天线元件和时分双工操作来同时服务多个活动用户终端。额外的天线将能量集中于甚至更小的空间区域，以在吞吐量和辐射能源效率方面带来巨大改善。大规模MIMO无线通信系统可以具有数百个发射(Tx)和接收(Rx)通道和相应的射频(RF)天线。
通常，大规模MIMO无线通信系统和终端像其他电子设备一样需要测试，并且在某些情况下需要校准。然而，在包括大量输入输出和天线的多用户大规模MIMO无线通信系统或终端的情况下，测试和校准可能存在挑战。
例如，空中(OTA)测试对于评估RF性能和天线性能是重要和必要的。在传统的OTA测试解决方案中，测试或测量不同的OTA测量指标需要具有不同辐射场的不同OTA测试系统，包括反应性近场、辐射近场和远场。通常，任何单一的现有OTA测试方法和系统本身不能解决对于获得通常为大规模MIMO无线系统所需的各种OTA测量度量的所有要求。另一方面，使用多个不同的OTA测试系统会增加测试成本。此外，在许多OTA测试场景中，例如制造中的OTA测试，OTA测试方法需要是快速(由于待测试的DUT的数量很大)和成本高效的，并且传统的OTA测试方法是不适合的，这是由于测试速度不足或成本太高。
因此，需要更好的解决方案用于测试多用户大规模MIMO无线通信系统或终端性能，特别是用于在制造环境中执行MIMO系统的OTA测试。
由此，期望提供一种改进的方法和系统来测试和校准多输入/多输出通信系统或设备的性能。特别地，期望提供改进的系统和方法用于在制造环境中对多用户大规模MIMO无线通信系统和终端执行OTA测试。
发明内容
一方面，提供了一种测试具有多输入多输出天线元件的阵列的多输入多输出待测设备的方法。所述方法包括：使用布置在空中测试室内并且位于多输入多输出天线元件的近场区域中的多个探针天线来测量多输入多输出待测设备的多输入多输出天线元件的阵列的至少一个校准参数；使用布置在空中测试室内并且位于多输入多输出天线元件的近场区域中的多个探针天线来测量多输入多输出待测设备的多个射频通道中每一个的至少一个射频通道参数；在沿着与多输入多输出天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度，在沿着限定多输入多输出天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度；和对近场辐射图案的所测近场强度应用映射关系，以确定多输入多输出天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
在一些实施例中，在测量多输入多输出天线元件的阵列的至少一个校准参数时，所述多个探针天线安放在与测试室相关联的伸缩臂上并且位于固定位置。
在一些实施例中，所述至少一个校准参数包括以下至少一个：多输入多输出待测设备的多个射频通道中至少一个的幅度、相位、延迟和频率响应。
在一些实施例中，测量多输入多输出待测设备的多个射频通道中的每一个的至少一个校准参数包括：将不同的延迟移位应用到多输入多输出待测设备的射频通道的不同通道。
在一些实施例中，测量多输入多输出待测设备的多个射频通道中的每一个的至少一个校准参数包括：将不同的相位图案应用于多输入多输出待测设备的射频通道的不同通道。
在一些实施例中，测量至少一个校准参数包括：将到达时差算法应用于在所述探针天线从所述多输入多输出天线元件的阵列接收到的信号，以确定每个探针天线与每个天线元件之间的距离。
在一些实施例中，所述多输入多输出天线元件的阵列是每对相邻多输入多输出天线元件之间具有均匀距离D的均匀平面阵列，其中所述探针天线在每对相邻探针天线之间以N*D的距离均匀间隔，N是整数。该方法包括：在每个探针天线处测量每个天线元件的每个射频通道的相位；并且从每个探针天线处的每个天线元件的每个射频通道的所测相位和整数N确定每个探针天线和每个天线元件之间的距离。
在一些实施例中，所述方法还包括：在彼此相同的时间测量多输入多输出待测设备的多个射频通道中每一个的所述至少一个射频通道参数。
在一些实施例中，使用所述多个探针天线测量所述多输入多输出待测设备的多个射频通道中每一个的至少一个射频通道参数包括：测量多输入多输出待测设备和探针天线之间的无线传输通道的传输矩阵；将所述传输矩阵的逆应用于所述探针天线接收到的信号，以恢复从所述多输入多输出待测设备发射的信号。
在一些实施例中，所述至少一个射频通道参数包括以下中的至少一个：误差矢量量值、相邻通道泄漏比、频谱发射掩模、相邻通道选择性、通道内接收机灵敏度、动态范围和阻塞。
在一些实施例中，所述方法还包括：对于每一个均具有对应的设备天线元件的阵列的多个其他已知良好设备和已知不良设备中的每一个，其中已知所述已知良好设备满足其性能规范，并且已知所述已知不良设备不满足其性能规范：在沿着与设备天线元件的阵列正交的中心轴的第二点，测量远场辐射图案的第一远场强度，并且在沿着限定设备天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第二圆周所布置的多个附加点，测量远场辐射图案的附加远场强度；将其他已知良好设备和已知不良设备中的每一个置于空中测试室内；对于所述其他已知良好设备和已知不良设备中的每一个，每次：在沿着与设备天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由空中测试室内的设备天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度；在沿着限定设备天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由空中测试室内的设备天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度；以及将所述其他已知良好设备和已知不良设备的近场辐射图案的所测近场强度施加到神经网络的输入，并使用所述其他已知良好设备和已知不良设备的远场辐射图案的所测远场强度作为训练输出以训练神经网络，从而构造所述映射关系。
在另一方面，提供了一种测试具有多输入多输出天线元件的阵列的多输入多输出待测设备的系统。所述系统包括：空中测试室，其中布置有多个探针天线，所述空中测试室配置为在多输入多输出待测设备的测试期间在其中接收多输入多输出待测设备，使得所述探针天线位于多输入多输出天线元件的阵列的近场区域中；连接设备，其配置为将探针天线连接到至少一个测试仪；和控制器，其配置为通过以下方式控制所述系统测试所述多输入多输出待测设备：控制所述至少一个测试仪以使用所述多个探针天线测量所述多输入多输出待测设备的多输入多输出天线元件的阵列的至少一个校准参数，使用布置在空中测试室内并位于多输入多输出天线元件的近场区域中的多个探针天线来测量多输入多输出待测设备的多个射频通道中每一个的至少一个射频通道参数，在与多输入多输出天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度，在沿着限定多输入多输出天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度，以及对近场辐射图案的所测近场强度应用映射关系，以确定多输入多输出待测设备天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
在一些实施例中，所述空中测试室的内部宽度大于多输入多输出待测设备的宽度不到一米，所述空中测试室的内部高度大于多输入多输出待测设备的高度不到一米，并且空中测试室的内部深度大于多输入多输出待测设备的长度不到一米。
在一些实施例中，所述至少一个测试仪包括具有多个测试通道的一个或多个测试仪，并且所述连接设备包括从所述探针天线到所述一个或多个测试仪的多个并联连接。
在一些实施例中，所述连接设备包括至少一个开关，其连接到每个探针天线，并且配置为在所述控制器的控制下将所述探针天线依次连接到所述至少一个测试仪。
在一些实施例中，所述测试仪包括信号源和谱分析仪中的至少一个。
在又一方面，提供一种测试具有多输入多输出天线元件的阵列的多输入多输出待测设备的方法。所述方法包括：经由连接设备将至少一个测试仪连接到布置在空中测试室内的多个探针天线；将多输入多输出待测设备置于空中测试室内，使得探针天线位于天线元件的近场区域中；使用位于所述天线元件的近场区域中的所述多个探针天线和所述至少一个测试仪来测量多输入多输出待测设备的天线元件的阵列的至少一个校准参数；使用布置在所述空中测试室内并且位于所述天线元件的近场区域中的所述多个探针天线和所述至少一个测试仪来测量多输入多输出待测设备的多个RF通道中每一个的至少一个射频通道参数；在沿着与所述天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由所述空中测试室内的天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度；在沿着限定天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，使用所述至少一个测试仪测量由空中测试室内的天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度；以及对近场辐射图案的所测近场强度应用映射关系，以确定天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
在一些实施例中，所述至少一个测试仪包括具有与空中测试室的多个探针天线的数目相对应的多个测试通道的一个或多个测试仪，并且其中所述连接设备包括每一个均对应于一个探针天线的多个并联连接。
在一些实施例中，所述至少一个测试仪包括具有多个测试通道的一个或多个测试仪，并且所述连接设备包括从所述探针天线到所述一个或多个测试仪的多个并行连接，并且测量所述多输入多输出待测设备的所述多个射频通道中每一个的所述至少一个射频通道参数包括：在彼此相同的时间测量所述多输入多输出待测设备的所述多个射频通道中每一个的所述至少一个射频通道参数。
在一些实施例中，连接设备包括连接到每个探针天线的至少一个开关，并且其中多输入多输出待测设备的所述多个射频通道中每一个的所述至少一个射频通道参数包括：控制所述至少一个开关以将探针天线依次连接到至少一个测试仪。
附图说明
当与附图一起阅读时，示例实施例可以从以下具体实施方式中得到最佳地理解。事实上，为了清楚的讨论，尺寸可以任意增加或减小。在适用和可行的情况下，相同的附图标记表示相同的要素。
图1示出诸如发射天线的物体周围的电磁场的近场和远场区域。
图2示出用于测试多用户多输入/多输出(MIMO)通信系统或被测设备(DUT)的空中(OTA)测试系统的示例实施例。
图3是用于测试MIMO通信系统或DUT的OTA测试系统的示例实施例的功能框图。
图4是测试MIMO通信系统或DUT的方法的示例实施例的流程图。
图5是用于说明经由多个子阵列校准均匀平面阵列(UPA)天线的方法的图。
图6是用于说明可以如何通过具有多个探针天线的OTA室同时并行测试MIMO DUT的多个RF通道的图。
图7示出天线的示例性近场辐射图案和示例远场辐射图案之间的关系。
图8是构成MIMO天线元件的近场辐射图案的测量近场强度与MIMO天线元件的远场辐射图案之间的映射关系的方法的示例实施例的流程图。
具体实施方式
在在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，阐述公开了特定细节的代表性实施例，以提供对于本教导的彻底理解。然而，对于已受益于本公开优点的本领域技术人员明显的是，根据本教导的脱离在此公开的特定细节的其它实施例仍在所附权利要求的范围内。而且，公知的设备和方法的描述可予以省略，以便不会使得示例实施例的描述变得模糊。这些方法和设备显然在本教导的范围内。
除非另有说明，否则当第一设备被称为连接到第二设备时，这包括可以使用一个或多个中间设备将两个设备彼此连接的情况。然而，当第一设备被称为直接连接到第二设备时，这仅包括两个设备彼此连接而没有任何中间或介入设备的情况。类似地，当信号被称为耦合到设备时，这包括可以使用一个或多个中间设备将信号耦合到设备的情况。然而，当信号被直接耦合到设备时，这仅包括信号直接耦合到该设备而没有任何中间或介入设备的情况。
图1示出诸如大规模多输入/多输出(MIMO)通信系统或设备的发射天线之类的物体周围的电磁场的近场区域110和远场区域120。近场区域110可以进一步划分为具有波前1125的非辐射(反应性)近场区域112和具有波前1145的辐射(菲涅尔)近场区域114。
本领域技术人员应当理解，图1是简化的，并且从辐射近场区域114中波前1145到远场区域120中远场区域波前1205的波前的转变实际上是逐渐的，并且可以被认为是发生在过渡区域(未示出)，而不是在如图1所示的分界线处急剧变化，以便简化。
电磁场的非辐射“近场”行为主导靠近天线或散射物体，而电磁辐射“远场”行为在更大的距离上占主导地位。远场E和B场强与相对于源的距离成反比减小，导致作为远场中距离函数的电磁辐射的辐射功率强度的平方反比定律。相比之下，近场E和B强度随着距离(距离平方或立方反比)下降得更快，导致在散热器的几个波长内相对缺乏近场效应。
对于物理地大于其发射的辐射的半波长的天线，近场和远场根据Fraunhofer距离来定义。Fraunhofer距离以Joseph von Fraunhofer的名字命名，其由df＝2D2/λ给出，其中D是散热器的最大尺寸(或天线的直径)，λ是无线电波的波长。Fraunhofer距离df提供近场和远场之间的分界线。
更具体地，参考图1，近场区域110是辐射场的距离相对于长度或直径D的天线小于Fraunhofer距离df＝2D2/λ的那部分，其中λ是辐射信号的波长，而远场区域120是辐射场的距离相对于该天线大于Fraunhofer距离的那部分。
一般来说，大规模多输入多输出(MIMO)无线通信系统和终端需要三种主要类型的空中(OTA)测试：(1)多通道校准，包括通道间幅度、相位、延迟校准和RF通道光谱平坦度校准；(2)系统每个通道的射频(RF)参数测量，包括每通道误差矢量幅度(EVM)、相邻通道泄漏比(ACLR)、频谱发射掩模(SEM)、相邻通道选择性(ACS)，等等；(3)波束成形性能，如波束增益、主瓣的波束宽度等。
通常使用反应性近场OTA测试系统或远场OTA测试系统来执行MIMO无线通信系统或终端的多通道校准。在使用反应场测试系统的校准方法中，探针天线指向靠近于MIMO无线通信系统的单个天线元件，并一次测量该单个RF通道的RF参数(相位/幅度/延迟等)。因此，需要探针天线的机械扫描来测量MIMO无线通信系统的所有通道的RF参数，结果，校准速度非常慢。在使用远场OTA测试系统的校准方法中，为了满足远场条件，远场室的尺寸应该非常大，用于测试MIMO无线通信系统的大规模天线阵列，其往往是非常昂贵的。
可以在辐射近场区域114和远场区域120两者中执行每通道RF参数测量，但是由于探针天线将从MIMO无线通信系统的不同有源RF通道接收所有发射信号，为了消除通道间干扰，在测试期间一次只能有一个RF通道被接通。因此，每通道RF参数测量将非常慢。此外，对于需要高接收灵敏度和大动态范围的一些RF参数测量(如ACLR、ACS等)，由于这些度量涉及功率水平非常低的带内/外噪声，因此远场测试方法将遭受大的路径损失，并不适合测试这些OTA度量。
波束成形性能可以在辐射近场区域114和远场区域120中测量。然而，两者都需要三维扫描来测量波束图案，这是耗时的。
如上所述，通常，任何单个现有的OTA测试方法和系统本身不能解决对于获得通常为大规模MIMO无线系统所需的各种OTA测量度量的所有要求。另一方面，使用多个不同的OTA测试系统会增加测试成本。此外，在许多OTA测试场景中，例如制造时的OTA测试，OTA测试方法需要快速(由于待测试的DUT数量很大)和成本高效的，传统的OTA测试方法由于测试速度不足或成本太高而不适合。
因此，发明人已经确定，期望提供一种改进的方法和系统来测试和校准多输入/多输出通信系统或设备的性能。
图2示出用于测试多用户、多输入/多输出(MIMO)通信系统或被测设备(DUT)10的空中(OTA)测试系统200的示例实施例。OTA测试系统200包括：空中(OTA)测试室50，其具有布置在其中的多个RF探针天线54-0,54-1...54-(N-1)；连接设备230，其配置为将探针天线连接到至少一个测试仪；控制器250，其配置为控制OTA测试系统200以测试MIMO DUT 10。
MIMO DUT 10包括MIMO收发器，特别是MIMO无线RF收发器和用于在空中发送和接收无线RF信号的MIMO天线元件的阵列12。这里应当理解，术语“RF”涵盖可被认为落在UHF和/或微波和/或mm波段内的频率。在一些实施例中，MIMO DUT 10可以包括用于诸如移动电话系统的无线通信系统的基站或中继器。MIMO DUT 10可以包括：MIMO基带模块，其与MIMODUT 10的一个或多个基带接口进行通信；以及MIMO RF模块，其与MIMO DUT 10的RF输入/输出进行通信，MIMO DUT 10的RF输入/输出又连接到RF天线的阵列12。在示例实施例中，基带接口可以包括一个或多个电和/或光接口。
在一些实施例中，MIMO DUT 10包括大规模MIMO系统，其中阵列12具有大量天线或天线元件。在一些实施例中，阵列12可以具有至少N＝64个天线或天线元件。在一些实施例中，阵列12可以具有N＝400个或更多个天线或天线元件。
OTA测试室50可以包括紧凑型消声室，其配置为在MIMO DUT 10的测试期间在其中接收MIMO DUT 10，使得RF探针天线54-0...54-(N-1)位于MIMO天线元件的阵列12的近场区域110中。RF探针天线54-0...54-(N-1)配置为辐射和接收RF信号。在一些实施例中，RF探针天线54-0...54-(N-1)安装或固定到一个或多个伸缩吊杆52，其又安装或连接到OTA测试室50的壁的内表面。
有益地，OTA测试室50的尺寸可以是紧凑的，例如相比于MIMO DUT 10的工作波长。特别地，OTA测试室50可以具有这样的尺寸，使得RF探针天线54-0...54-(N-1)位于MIMODUT 10的阵列12的近场区域110内。在一些实施例中，OTA测试室50的内部宽度W可以大于MIMO DUT 10的宽度不到1米(例如0.5米)，OTA测试室50的内部高度H可以大于MIMO DUT 10的高度不到一米(例如，0.5米)，并且OTA测试室50的内部深度D可以大于MIMO DUT 10的长度不到一米。也就是说，OTA测试室50的尺寸可以略大于MIMO DUT 10的尺寸。
测试仪210可以包括各种设备中的一个或多个，诸如功率计、频谱分析仪、向量分析仪、RF信号发生器、网络分析仪等。有益地，测试仪210可以包括能够并行地处理去往或来自RF探针天线54-0...54-(N-1)的多个信号的一个或多个多通道设备。
在各种实施例中，连接设备230可以包括测试仪210和OTA测试室50的RF探针天线54-0...54-(N-1)之间的并联和/或开关连接。多个RF探针天线54-0...54-(N-1)可以并联连接到测试仪210，或者通过切换连接到单通道测试仪210。有益地，在MIMO DUT 10的OTA测试期间可能不需要机械运动，使得测量可能远快于需要机械扫描或旋转的传统OTA测试方法。如果测试系统200采用支持RF探针天线54-0...54-(N-1)和多通道测试仪210之间的并联连接的连接设备230，则可以进一步提高测试速度。
控制器250可以包括一个或多个数字微处理器和存储器，其可以包括易失性和/或非易失性存储器，包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器-例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存等。在一些实施例中，存储器可以存储要由数字微处理器执行的指令，以使数字微处理器执行一个或多个算法来控制测试系统100的操作。在一些实施例中，控制器250可以包括诸如个人计算机(PC)的通用计算机，运行用于对MIMO DUT 10执行一个或多个测试的软件算法的指令，包括测量或确定MIMO DUT 10的一个或多个性能特征。
如下面将更详细地描述的，控制器250配置为控制系统以测试MIMO DUT 10。在一些实施例中，控制器250配置为通过以下方式来控制系统以测试MIMO DUT 10：控制测试仪210以通过使用多个RF探针天线54-0...54-(N-1)测量MIMO DUT 10的MIMO天线元件的阵列12的至少一个校准参数；使用布置在OTA测试室50内并位于MIMO天线元件的近场区域110中的多个RF探针天线54-0...54-(N-1)来测量MIMO DUT的多个RF通道中每一个的至少一个射频(RF)通道参数；在沿着与MIMO天线元件的阵列12正交的中心轴的第一点，测量由OTA测试室50内的MIMO天线元件产生的近场辐射图案的第一强度；在沿着限定MIMO天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由OTA测试室50内的MIMO天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度；对近场辐射图案的所测近场强度应用映射关系，以确定MIMO天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
图3是用于测试MIMO通信系统或DUT 10的OTA测试系统300的示例实施例的功能框图。OTA测试系统300可以是图2的OTA测试系统200的一个实施例。
OTA测试系统300包括：一个或多个测试仪210；双向交换网络320；N个射频探针天线射频探针天线54-0...54-(N-1)；OTA测试室50，其中布置有RF探针天线54-0...54-(N-1)并配置为辐射和接收RF信号。
如图3所示，OTA测试系统300还包括控制和分析子系统350，其可以加载测试仪310和双向交换网络330的配置和/或控制操作。控制和分析子系统350可以包括一个或多个数字微处理器和存储器，其可以包括易失性和/或非易失性存储器，包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器-例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存等。在一些实施例中，存储器可以存储要由数字微处理器运行的指令，以使数字微处理器执行一个或多个算法来控制测试系统100的操作。在一些实施例中，控制和分析子系统350可以包括通用计算机，例如个人计算机(PC)，运行用于对MIMO DUT 10执行一个或多个测试的软件算法的指令，包括测量或确定MIMO DUT 10的一个或多个性能特性。
如图3所示，控制和分析子系统350包括一个或多个处理器352、存储器354和用户接口356。用户接口356可以包括显示器、键盘、小键盘、触摸屏、鼠标、轨迹球、麦克风中的一个或多个。尽管图3中未示出，但是控制和分析子系统350还包括一个或多个输入/输出端口或通信端口，用于传送控制信号355、357和359。尽管出于图示的方便，图3示出了经由单独的接口传送的控制信号355,357和359，应当理解，在一些实施例中，MIMO DUT 10、测试仪310、双向交换机网络330以及控制和分析子系统350可以例如使用标准协议(如以太网)经由共享通信总线进行通信。
可选地，OTA测试系统300包括可移动安装结构或可移动平台55，MIMO DUT 10被安装或固定到该移动平台55，并且通过其可以调整或控制OTA测试室50内的MIMO DUT 10的位置和取向。在一些实施例中，响应于一个或多个控制信号，例如来自控制和分析子系统350的一个或多个控制信号359，可移动平台55可以配置为在两个或三个维度上平移、旋转和/或转动MIMO DUT 10。
在OTA测试系统300的一些实施例中，可以省略可移动平台55。
图4是例如使用OTA测试系统(例如OTA测试系统200或300)测试MIMO通信系统或DUT的方法400的示例实施例的流程图。
在操作410中，具有MIMO天线元件的阵列(例如，阵列12)的MIMO DUT(例如，MIMODUT 10)放置在OTA测试室(例如，OTA测试室50)内。
操作420包括使用布置在OTA测试室50内并且位于MIMO天线元件的近场区域110中的多个探针天线(例如，RF探针天线54-0...54-(N-1))来测量MIMO DUT 10的MIMO天线元件的阵列12的至少一个校准参数。
操作430包括使用布置在OTA测试室50内并且位于MIMO DUT 10的MIMO天线元件的近场区域110中的多个RF探针天线54-0...54-(N-1)测量MIMO DUT 10的多个RF通道中每一个的至少一个射频(RF)通道参数。
操作440包括在沿着与MIMO DUT 10的MIMO天线元件的阵列12正交的中心轴(0,0方向)的第一点测量由OTA测试室50内的MIMO DUT 10的MIMO天线元件产生的近场辐射图案的第一强度。
操作450包括在沿着限定MIMO天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望3dB的圆周所布置的多个其他点(例如，4个点或8个点)，测量由MIMO DUT 10的MIMO天线元件产生的近场辐射图案的各强度。
操作460包括对近场辐射图案的所测强度应用映射关系，以确定MIMO DUT 10的MIMO天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
应当理解，操作420-460的顺序可以不同于图1所示的顺序。例如，操作420,430和440-460的顺序可以以任何顺序重新排列。
现在描述利用诸如OTA测试系统200或300的OTA测试系统执行的方法400的操作的实施例的进一步细节。
操作420：多通道并行校准
在OTA测试系统200和300中，单个RF探针天线54-0...54-(N-1)可以从/向MIMODUT 10的多个RF通道同时接收/发送测试信号，以加速校准速度。
如果MIMO DUT 10中的RF通道具有独立的基带通道(例如，阵列12是数字相控天线阵列)，则以Zhu Wen等人的名字于2016年11月17日公布的美国专利申请公开2016/0337052(其通过引用的方式合并于此)提出的RF性能测试方法可以用于通过对不同的通道施加不同的延迟移位来分离每个通道的测试信号。如果一些RF通道共享相同的基带通道，并且MIMO DUT 10使用模拟移相器来进行波束成形，例如混合或模拟波束成形系统，则以YaJing等人的名字于2011年2月3日在防卫性出版物“Radiated Power And PhaseCalibration Of A Multichannel Signal Transmitter”(IP.COM公开号：IPCOM000249094D,其通过引用的方式合并于此)中提出的方法可以用于通过将不同的相位图案应用于不同的通道来分离每个通道的信号。
需要考虑的一个问题是，在紧凑型的OTA测试室50中，例如RF探针天线54-0与MIMODUT 10之间的距离不满足理想的远场条件。因此，不能忽视从RF探针天线54-0到阵列12的不同MIMO天线元件的距离的差，主要是导致相位校正误差。
为了解决这个问题，在各种实施例中，可以采用以下两种方法，其都涉及使用多个RF探针天线54-0...54-(N-1)。
第一种和更通用的方法是基于从MIMO天线元件到多个RF探针天线54-0...54-(N-1)的到达时差(TDOA)信息。在该方法中，可以采用TDOA位置算法(例如，Chan算法)来估计MIMO天线元件的位置，然后基于RF探针天线54-0...54-(N-1)和MIMO天线元件的位置，计算RF探针天线54-0...54-(N-1)与MIMO天线元件之间的距离。
第二种方法更简单，并且适用于高频OTA测试(例如，在毫米波频率上工作的MIMODUT 10的OTA测试中)，并且示出在图5中。
在这种方法中，我们假设阵列12是包括多个MIMO天线元件512-(0,0)...512-(0,5)...512-(5,0)...512-(0,5)的均匀平面阵列(UPA)512，并且UPA 512的相邻MIMO天线元件512-(0,0)...512-(0,5)...512-(5,0)...512-(0,5)之间的距离是d。在这种情况下，相邻RF探针天线54-1,54-2,54-3和54-4之间的距离设置为d的整数倍，例如2d。这里，RF探针天线54-1,54-2,54-3和54-4以距离h布置得平行于UPA 5120。
根据RF探针天线54-1，我们可以测量出表示为的所有MIMO天线元件512-(i,j)的相位，其中，,θi，j是MIMO天线元件512-(i,j)的RF通道的相位，右边的第二项是由于RF探针天线54-1和MIMO天线元件512-(i,j)之间的距离导致的相位，其在校准中需要进行补偿。
此外，根据RF探针天线54-2，54-3和54-4，我们可以测量出表示为的所有MIMO天线元件512-(i,j)的相位，其中，
注意，两个相邻RF探针天线54-1...54-4之间的距离为2d，我们有则我们可以通过下式得到RF通道相位差：
(1)
(2)
(3)
我们可以将UPA 512中的所有MIMO天线单元分成4组，并且在每组中，选择与RF探针天线54-1最接近的元件(图5中的MIMO天线元件512-(0,0),512-(0,1),512-(1,0)和512-(1,1))作为参考MIMO天线元件，并且将每个组内的相位校准为等于组中的参考MIMO天线元件。
四个参考MIMO天线元件与RF探针天线54-1之间的几何距离差小到足以忽略，因此整个UPA 512已被校准。
操作430：多通道RF性能并行测量
在操作430的一些实施例中，多个RF探针天线54-0...54-(N-1)用于并行执行MIMODUT 10的多通道RF性能测量，这可以极大地加速测量速度。并行RF性能测量的概念通过参照图6描述如下。
假设MIMO DUT 10的每个RF通道可以独立地接通/断开。当MIMO DUT 10的多个RF通道同时被接通(有源RF通道的数量应该等于或小于RF探针天线的数量N)以发射信号S1(t),S2(t),S3(t),S4(t)等，如果具有多个RF探针天线54-0...54-(N-1)的多个被测MIMO天线元件之间的传输矩阵H(Y＝H·S)具有良好的条件数(接近1)，则我们可以测量出传输矩阵H，然后应用矩阵的逆H-1，以消除跨通道干扰，因此我们可以将OTA通道视为单位矩阵。
理论分析表明，如果RF探针天线54-0...54-(N-1)之间的距离为RF探针天线54-0...54-(N-1)和MIMO DUT 10的阵列12之间距离的大约1/5，则容易挑选出合适的MIMO天线元件，其得到条件数小于2的传输矩阵。
操作440-460：波束成形测试
在使用OTA测试系统(如OTA测试系统200或OTA测试系统300)对MIMO DUT 10制造质量测试的上下文中，通常不需要测量MIMO DUT 19的阵列12的整个波束成形图案，而仅需要测试主瓣的波束增益和3dB波束宽度。
图7示出尺寸D的天线阵列12的示例性近场辐射图案7203和远场辐射图案7205之间的关系。图7示出远场辐射图案7205的主瓣72052和旁瓣72054。
从图7中可以看出，在辐射近场区域114中，即使近场辐射图案7203与远场辐射图案7205完全不同，仍然可以注意到，图案形状，特别是主瓣72052的形状，可以容易地在辐射近场辐射图案7203中观察到，并且主瓣方向靠近远场主瓣。因此，可以在辐射近场辐射图案7203和远场辐射图案7205之间建立映射关系，然后仅使用具有紧凑尺寸OTA测试室50的OTA测试系统200或300在辐射近场114中对MIMO DUT 10进行波束成形测量。
图8是构造MIMO天线元件的近场辐射图案(例如辐射近场辐射图案7203)的所测近场强度到MIMO天线元件的远场辐射图案(例如远场辐射图案7205)之间的映射关系的方法800的示例性实施例的流程图。
对于执行方法800，首先选择一小组MIMO DUT 10作为参考设备。有益的，所述组包括已知满足其性能规格的一组“已知良好”设备，以及已知不满足其性能规范的一组“已知不良”设备。
然后，对于所选择的参考设备中的每一个执行方法800的操作810至850。
操作810包括在沿着与参考设备的天线元件的阵列正交的中心轴(上面的方法400的操作440中在第一点对其测量近场辐射图案的同一0,0波束方向)的点(这里表示为“第二点”，以与上面的方法400的“第一点”对比)，测量所选参考设备的远场辐射图案的第一远场强度。
操作820包括在沿着限定所选参考设备的天线元件的远场辐射图案7205的主瓣72052的期望3dB波束带宽72055的第二圆周所布置的多个附加点(例如，4个点或8个点)，测量所选参考设备的远场辐射图案的附加远场强度。
操作830包括将所选参考设备置于OTA测试室50内。
操作840包括在沿着与天线元件的阵列正交的中心轴(0，0波束方向)的第一点，测量由OTA测试室50内的所选参考设备的天线元件产生的近场辐射图案7203的第一近场强度。
操作850包括在沿着限定所选参考设备的天线元件的远场辐射图案7205的主瓣72052的期望3dB波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由OTA测试室50内的所选参考设备的天线元件产生的近场辐射图案7203的附加近场强度。
操作860包括将所选已知良好设备和已知不良设备的近场辐射图案的所测近场强度施加到神经网络的输入，并使用其他已知良好设备和已知不良设备的远场辐射图案7205的所测远场强度作为训练输出以训练神经网络，从而构造近场辐射图案7203和远场辐射图案7205之间的映射关系。操作860可以是以下方法的一个实施例：采用在操作810-850中获得的数据，用于构造可在方法400中的操作460中采用的映射关系。在其他实施例中，操作810-850中获得的数据可以以其他方式加以处理以建立映射关系。
一旦建立了映射关系，则可以执行操作460以在制造环境中将映射关系应用到MIMO DUT 10的近场辐射图案的所测强度，以确定用于MIMO DUT 10的MIMO天线元件的远场辐射图案的波束增益以及主瓣的波束宽度。
虽然本文公开了示例性实施例，但是本领域的普通技术人员应领会，根据本教导的许多变型都是可能的，并且仍然在所附权利要求的范围内。因此，本发明仅受限于所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种测试具有多输入多输出天线元件的阵列的多输入多输出待测设备的方法，所述方法包括：
使用布置在空中测试室内并且位于多输入多输出天线元件的近场区域中的多个探针天线来测量多输入多输出待测设备的多输入多输出天线元件的阵列的至少一个校准参数；
使用布置在空中测试室内并且位于多输入多输出天线元件的近场区域中的多个探针天线来测量多输入多输出待测设备的多个射频通道中每一个的至少一个射频通道参数；
在沿着与多输入多输出天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度，
在沿着限定多输入多输出天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度；和
对近场辐射图案的所测近场强度应用映射关系，以确定多输入多输出天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述至少一个校准参数包括：将到达时差算法应用于在所述探针天线从所述多输入多输出天线元件的阵列接收到的信号，以确定每个探针天线与每个天线元件之间的距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多输入多输出天线元件的阵列是每对相邻多输入多输出天线元件之间具有均匀距离D的均匀平面阵列，其中所述探针天线在每对相邻探针天线之间以N*D的距离均匀间隔，N是整数，该方法包括：
在每个探针天线处测量每个天线元件的每个射频通道的相位；并且
从每个探针天线处的每个天线元件的每个射频通道的所测相位和整数N确定每个探针天线和每个天线元件之间的距离。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述多个探针天线测量所述多输入多输出待测设备的多个射频通道中每一个的至少一个射频通道参数包括：
测量多输入多输出待测设备和探针天线之间的无线传输通道的传输矩阵；和
将所述传输矩阵的逆应用于所述探针天线接收到的信号，以恢复从所述多输入多输出待测设备发射的信号。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对于每一个均具有对应的设备天线元件的阵列的多个其他已知良好设备和已知不良设备中的每一个，其中已知所述已知良好设备满足其性能规范，并且已知所述已知不良设备不满足其性能规范：
在沿着与设备天线元件的阵列正交的中心轴的第二点，测量远场辐射图案的第一远场强度，并且
在沿着限定设备天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第二圆周所布置的多个附加点，测量远场辐射图案的附加远场强度；
将其他已知良好设备和已知不良设备中的每一个置于空中测试室内；
对于所述其他已知良好设备和已知不良设备中的每一个，每次：
在沿着与设备天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由空中测试室内的设备天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度；
在沿着限定设备天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由空中测试室内的设备天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度；以及
将所述其他已知良好设备和已知不良设备的近场辐射图案的所测近场强度施加到神经网络的输入，并使用所述其他已知良好设备和已知不良设备的远场辐射图案的所测远场强度作为训练输出以训练神经网络，从而构造所述映射关系。
6.一种测试具有多输入多输出天线元件的阵列的多输入多输出待测设备的系统，所述系统包括：
空中测试室，其中布置有多个探针天线，所述空中测试室配置为在多输入多输出待测设备的测试期间在其中接收多输入多输出待测设备，使得所述探针天线位于多输入多输出天线元件的阵列的近场区域中；
连接设备，其配置为将探针天线连接到至少一个测试仪；和
控制器，其配置为通过以下方式控制所述系统测试所述多输入多输出待测设备：
控制所述至少一个测试仪以使用所述多个探针天线测量所述多输入多输出待测设备的多输入多输出天线元件的阵列的至少一个校准参数，
使用布置在空中测试室内并位于多输入多输出天线元件的近场区域中的多个探针天线来测量多输入多输出待测设备的多个射频通道中每一个的至少一个射频通道参数，
在与多输入多输出天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度，
在沿着限定多输入多输出天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，测量由空中测试室内的多输入多输出天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度，以及
对近场辐射图案的所测近场强度应用映射关系，以确定多输入多输出待测设备天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述空中测试室的内部宽度大于多输入多输出待测设备的宽度不到一米，所述空中测试室的内部高度大于多输入多输出待测设备的高度不到一米，并且空中测试室的内部深度大于多输入多输出待测设备的长度不到一米。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个测试仪包括具有多个测试通道的一个或多个测试仪，并且所述连接设备包括从所述探针天线到所述一个或多个测试仪的多个并联连接。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述连接设备包括至少一个开关，其连接到每个探针天线，并且配置为在所述控制器的控制下将所述探针天线依次连接到所述至少一个测试仪。
10.一种测试具有多输入多输出天线元件的阵列的多输入多输出待测设备的方法，所述方法包括：
经由连接设备将至少一个测试仪连接到布置在空中测试室内的多个探针天线；
将多输入多输出待测设备置于空中测试室内，使得探针天线位于天线元件的近场区域中；
使用位于所述天线元件的近场区域中的所述多个探针天线和所述至少一个测试仪来测量多输入多输出待测设备的天线元件的阵列的至少一个校准参数；
使用布置在所述空中测试室内并且位于所述天线元件的近场区域中的所述多个探针天线和所述至少一个测试仪来测量多输入多输出待测设备的多个RF通道中每一个的至少一个射频通道参数；
在沿着与所述天线元件的阵列正交的中心轴的第一点，测量由所述空中测试室内的天线元件产生的近场辐射图案的第一近场强度；
在沿着限定天线元件的远场辐射图案的主瓣的期望波束带宽的第一圆周所布置的多个其他点，使用所述至少一个测试仪测量由空中测试室内的天线元件产生的近场辐射图案的附加近场强度；以及
对近场辐射图案的所测近场强度应用映射关系，以确定天线元件的远场辐射图案的波束增益和主瓣的波束宽度。
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