CN214252616U - 一种多自由度毫米波mu-mimo系统多探头测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及毫米波测试技术领域，尤其涉及一种多自由度毫米波MU‑MIMO系统多探头测试装置，包括测试装置、测试仪器、计算机和驱动装置，测试装置和待测毫米波设备均置于吸波暗室中，测试装置包括测试模块和工作台，待测毫米波设备置于工作台的中心位置，测试模块通过直线导轨和支撑杆在各种空间位置、高度和角度下收发毫米波信号，计算机用于控制驱动装置驱动工作台，计算机用于控制测试仪器，测试模块与测试仪器连接，待测毫米波设备与计算机相连。本实用新型采用多探头方案，并加以改进，尽可能减少路径损耗的前提下，提高了OTA测试的精确度，使多个探头的空间位置和方向性可控，还原真实的信道环境。

Description

一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置

技术领域

本实用新型涉及毫米波测试技术领域，尤其涉及一种多自由度毫米波 MU-MIMO系统多探头测试装置。

背景技术

为了满足网络社会的需求，频谱资源的竞争越来越剧烈。在现有频谱资源紧张的情况下，逐步把目光看向了毫米波。在毫米波频段，可以拥有更宽更纯净的信道，大块的连续频谱可以被应用。

毫米波波长较短和窄光束特性让信号的分辨率，传输特性和传输速度得以增强，存储容量也更大，更容易解决用户上网拥堵问题。但同时因为毫米波的波长短，衍射/散射/材料穿透损耗和自由多径衰落等这些综合起来，也就造成了毫米波信号穿透能力弱，传输的距离大大的缩短，覆盖面积小。针对毫米波的特性，信号全覆盖不是毫米波所追求的，对信号盲区进行补充，主要解决室内和热点地区的容量需求问题。

由毫米波的特性可知，在测试中路径损耗对毫米波信号质量的损伤尤其严重，毫米波传导测试所用的连接器或者射频通信线缆对毫米波信号带来更多的损耗，很多毫米波测试项目必须通过OTA方式实现。对毫米波器件来说，天线通常是和收发信机系统集成的，不再有传导测试使用的连接器和探测点，OTA测试将会成为毫米波测试的主流。目前常见的对于 MU-MIMO系统OTA的测量方案中多探头法(MPAC，Multi-Probe Anechoic Chamber)是现阶段最主流的MU-MIMO OTA测试方法。传统的多探头方案是将探头固定在暗室墙或环形柱体上，不能根据毫米波尺寸直径的大小调整远场距离，不能模拟用户设备的运动状态，不能模拟真实的场景。

实用新型内容

本实用新型提供了一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，采用多探头方案，并加以改进，尽可能减少路径损耗的前提下，提高了OTA测试的精确度，使多个探头的方向可控，距离可控，还原真实的信道环境。

为了实现本实用新型的目的，所采用的技术方案是：一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，包括测试装置、测试仪器、计算机和驱动装置，测试装置和待测毫米波设备均置于吸波暗室中，测试装置包括测试模块、工作台、若干直线导轨和支撑杆，待测毫米波设备安装在工作台上，测试模块安装在支撑杆上，支撑杆沿直线导轨滑动，测试模块通过直线导轨和支撑杆在各种空间位置、高度和角度下收发毫米波信号，计算机用于控制驱动装置驱动工作台，计算机用于控制测试仪器，测试模块与测试仪器连接，待测毫米波设备与计算机相连。

作为本实用新型的优化方案，工作台包括基座、转台、方向角定位器和基座的滚轴，转台搭建在基座上，方向角定位器放置在转台上，方向角定位器用于定位待测毫米波设备，直线导轨的一端嵌入基座的滚轴中，直线导轨的另一端下面设置滚轮。

作为本实用新型的优化方案，多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括圆形底盘，直线导轨的另一端沿圆形底盘的边缘旋转。

作为本实用新型的优化方案，多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括增益衰减和滤波模块、毫米波收发变频模块和信道选择开关，测试模块将毫米波信号变频后经对应的信道选择开关传输给增益衰减和滤波模块，增益衰减和滤波模块对信号进行处理后传输给吸波暗室外的毫米波收发变频模块转换成毫米波信号，并将转换后的毫米波信号送入测试仪器进行处理。

作为本实用新型的优化方案，测试模块包括收发变频模块和测试天线，收发变频模块通过测试天线与待测毫米波设备进行毫米波信号的收发。

作为本实用新型的优化方案，测试仪器包括信号发生器、信号分析仪、网络分析仪和频谱分析仪，信号发生器用于发出毫米波信号，信号分析仪用于分析毫米波信号，网络分析仪用于计算损耗，通过增益衰减和滤波模块进行补偿校准；频谱分析仪用于从频域直观的观测信号的特性。

作为本实用新型的优化方案，多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括校准天线，校准天线作为基准放置在工作台上。

作为本实用新型的优化方案，多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括监视器，监视器安装在吸波暗室外，通过监视器在吸波暗室外观察吸波暗室内的情况。

本实用新型具有积极的效果：1)本实用新型工作台通过三维运动导轨装置，工作台旋转机构和定位器实现各种毫米波探测装置模拟多自由度运动，包括前后移动，上下移动和旋转，模拟真实地空间场景，支持3GPP 定义的信道模型，创建一个围绕被测毫米波设备的多探头环境，进行毫米波相关性能测试，布置一个可以围绕待测设备的模拟真实环境的测试探头阵列，使测试空间网格化，在每一个网格上都可以得到准确的测量数据，更真实的描绘MU-MIMO通信信道的模型，接近于真实的传播环境模拟，很大程度上有利于毫米波探测装置的调试和检测；

2)本实用新型可以对不同规格，不同频段，不同口径的毫米波设备进行测量，兼容性更高；

3)本实用新型可以灵活的后移距离，测试毫米波设备真实的覆盖面积；

4)本实用新型可以减少毫米波的路径损耗，增加测试的准确度；

5)可以产生不同的信道环境，应对不同的场景的毫米波测试。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的整体框图；

图2是本实用新型工作台的示意图；

图3是本实用新型工作台的使用示意图；

图4是本实用新型基座的示意图；

图5是本实用新型测试装置的结构示意图；

图6是毫米波收发变频模块原理框图；

图7是本实用新型测试模块的原理框图；

图8是本实用新型的应用场景图。

其中：1、待测毫米波设备，2、测试模块，3、基座，4、转台，5、直线导轨，6、可升降支撑杆，8、基座的滚轴，9、圆形底盘。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型公开了一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，包括测试装置、测试仪器、计算机和驱动装置，测试装置和待测毫米波设备1均置于吸波暗室中，测试装置包括测试模块2、工作台、若干直线导轨5和支撑杆6，待测毫米波设备1安装在工作台上，测试模块2安装在支撑杆6上，支撑杆6沿直线导轨5滑动，测试模块2 通过直线导轨5和支撑杆6在各种空间位置、高度和角度下收发毫米波信号，所述的计算机用于控制驱动装置驱动工作台，计算机用于控制测试仪器，测试模块2与测试仪器连接，待测毫米波设备1与计算机相连。其中，吸波暗室可保证测试在无反射且无回波的环境中进行，吸波暗室内装可以吸收反射信号的吸波材料。

如图2-5所示，工作台包括基座3、转台4、方向角定位器和基座的滚轴8，转台4搭建在基座3上，方向角定位器放置在转台4上，方向角定位器用于定位待测毫米波设备1，直线导轨5的一端嵌入基座的滚轴8 中，直线导轨5的另一端下面设置滚轮，直线导轨的另一端沿圆形底盘9 边缘旋转。直线导轨5可在基座的滚轴8的带动下转动一定角度，当有N 个测试模块2时，即转动角度为360/N，这样可以既保证直线导轨5不相撞，以及各个测试模块2后端的射频同轴线缆不交叉和纠缠，也可以做到 360°覆盖。另一方面，可以调节待测毫米波设备1和测试模块2之间的距离，模拟多样性的传输路径和用户状态。直线导轨5的转动可以手动转动也可以电动，可升降的支撑杆6在直线导轨5上的滑动也既可以手动也可以电动。在确定所选择的信道模型后，放置待测毫米波设备1和测试模块2后，可选择电动的将各个测试模块2移动到合适的位置，如果需要微调测试模块2的高度和角度，可以手动调节。直线导轨5上标记线性刻度。方向角定位器可以定位待测毫米波设备1，可以使待测毫米波设备1可以 360°旋转，转台4可以调节三级高度，由于待测毫米波设备1的大小、高度和体积各有不同，不同高度的转台4更容易找到测试模块2与待测毫米波设备1的相对位置。基座3本身是不可以旋转的，内设有和直线导轨5同等数目的基座的滚轴8，可以带动直线导轨5旋转一定的角度。

测试模块2可以在可升降的支撑杆6上下改变距离，同时配置了带定位销的角度定位器，角度定位器可以经松动定位销后，在可升降的支撑杆 6上下改变距离和环可升降支撑杆6改变角度。可升降的支撑杆6上标记线性刻度和角度刻度，以便测试模块2可以精确定位。

如图多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括增益衰减和滤波模块、毫米波收发变频模块和信道选择开关，测试模块2将毫米波信号变频后经对应的信道选择开关传输给增益衰减和滤波模块，增益衰减和滤波模块对信号进行处理后传输给吸波暗室外的毫米波收发变频模块转换成毫米波信号，并将转换后的毫米波信号送入测试仪器进行处理。在测试之前选择相应信道对应的测试模块2，对各种模式的MU-MIMO信道进行切换。增益衰减和滤波模块可与衰减较大信号以及滤除带外的载波信号，提高测量的动态范围和减小噪声基底。

如图6-7所示，测试模块2包括收发变频模块和测试天线，收发变频模块通过测试天线与待测毫米波设备1进行毫米波信号的收发。测试发射信号时，测试天线接收待测毫米波设备1发出的毫米波信号后给收发变频模块，进行下变频至中频，通过射频同轴线缆传送到吸波暗室外的毫米波收发变频模块，进行转化成毫米波，并送入信号分析仪进行信号分析；测试接收信号时，信号发生器发出毫米波信号，经过收发变频模块的下变频至中频后，经过射频同轴线缆传输到测试模块2，再转换成毫米波，并在空中传播给待测毫米波设备1。

测试仪器包括信号发生器、信号分析仪、网络分析仪和频谱分析仪，信号发生器用于发出毫米波信号，信号分析仪用于分析毫米波信号，网络分析仪用于计算损耗，通过增益衰减和滤波模块进行补偿校准；频谱分析仪用于从频域直观的观测信号的特性。

多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括校准天线，校准天线作为基准放置在工作台上，校准天线作为一个基准，对信号发生器发出的毫米波信号进行校准后辐射给各个测试模块2。

多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括监视器，监视器安装在吸波暗室外，通过监视器在吸波暗室外观察吸波暗室内各部分的运行测试情况。

计算机对测试仪器配置参数和读取测试仪器的测量数据生成测试报告，计算机实时监测转台和直线导轨5的运动轨迹。

下面结合附图对本实用新型的实现方法做进一步详细的描述。下面所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

S1搭建连接：如图1所示，多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置由测试装置、测试仪器、计算机和驱动装置组成。测试仪器通过GPIB 总线控制模块与计算机相连接，各个测试模块2经过信道选择开关，增益衰减和滤波模块和毫米波收发变频模块通过射频同轴线缆相连，毫米波收发变频模块与测试仪器紧密相连。每个测试仪器在计算机上对应不同的 GPIB地址，以防止地址重复，无法建立正常的通信。

如图6所示，在毫米波传输中减少了毫米波传输损耗，作探头的测试天线改用作测试模块，将毫米波信号接收进行下变频，再将中频信号上变频到毫米波信号进行测试，这就使得在射频同轴线缆中流动的信号为中频信号。在测试模块里面，收发变频模块和测试天线集成在一起，以减少连接器的损耗。

如图5所示，工作台和直线导轨5以及可升降的支撑杆6上都有刻度，测试模块2所在的可升降的支撑杆6可以从位置2滑动到位置1，同理位置 3也可以滑动到位置4，表明测试模块2可以在一维空间移动。测试模块2 也可以从可升降的支撑杆6的顶部向下平移，也可以旋转(可升降支撑杆6 为圆柱体形状)，表明测试模块2可以在二维空间移动。如图4所示，每个可升降的支撑杆6所在的直线导轨5可以随基座的滚轴8旋转，表明测试模块2可以在三维空间内移动。

S2校准：1.信号发生器和校准天线放置在工作台上，各个测试模块2均匀地置于工作台附近，并水平对准工作台；2.信号发生器发出确定频率确定功率的信号并通过校准天线空中辐射给各个测试模块2，频谱分析仪得出各个通道的功率并记录；3.计算机指示驱动装置向外移动可升降的支撑杆6两倍波长的距离，再重复上一步骤，发射该频率该确定功率的信号给各个测试模块2，并记录；4.遍历整个直线导轨5后，计算机指示基座的其中一个基座的滚轴8移动一定角度，并重复步骤2；5.同理，调节测试模块2在支撑杆上的高度可改变信号到达角度，并重复步骤2，由此，测试模块2遍历了整个圆柱空间的每个格；6.利用网络分析仪得到每条射频线缆和连接器的损耗，并记录下来，并通过计算可得出各个信道的空间模型，进一步地计算出各个信道组合的常见信道模型，通过增益衰减模块进行补偿校准。毫米波信号是TDD系统的，收发是互易的，此时，只需要测试一个方向的路径损耗可作为共同的路径损耗。

S3测试：预选择一个信道模型，通过信道选择开关选择对应的测试模块 2，将驱动装置带动各个测试模块2放置在合适的位置，测试待测毫米波设备1发射性能时，待测毫米波设备1发射毫米波信号后，由测试天线接收，并同时经过收发变频模块转化为中频号，并经射频同轴线传输，再进行上变频还原毫米波信号进行测试。测试待测毫米波设备1接收性能时，测试仪器发射毫米波信号，经过毫米波收发变频模块变成中频信号，经射频同轴线缆传到收发变频模块，转化成毫米波信号，经由测试天线发出，待测毫米波设备1接收毫米波信号，并反馈给计算机。

在本实用新型中，尽量选择频带较宽的测试模块2，中频可固定在某一频率区间，例如对于28GHz毫米波频段来说，收发变频模块可以处理26GHz 和29GHz之间的毫米波信号，而43GHz毫米波频段，收发变频模块可以处理42GHz和45GHz之间的毫米波信号，其中测试天线为双极化天线。若待测设备通信信号为普通sub-6GHz信号，可将测试模块2替代为对应频率的测试天线。下面结合一个具体的示例进行说明：

预设待测毫米波设备1为一台42.5G的毫米波基站：

将待测毫米波设备1置于工作台的中心位置，并通过网线或者是串口与计算机相连，从而控制待测毫米波设备1的收发参数配置。

根据信号频率和待测毫米波设备1的直径确定最小远场距离，将各个测试模块2对准待测毫米波设备1，并放在最小远场距离处。

该处测试模块2包括收发变频模块和测试天线，收发变频模块由三块主板组成，分别是电源板，单收单发的收发射频板和本振板。可用充电电池给电源板供电，电源板的DCDC或者LDO后供给射频板可靠的稳定电源，本振板提供可调频率的本振信号给射频板作混频用，本振频率可调在 9.2G-9.6G，可解调42G-45GHz的毫米波信号，射频板的混频器件组要是采用ADI的ADMV1013作为上变频和ADMV1014作为下变频，AD5301作为毫米波射频开关。另外，该处的测试模块2可以把天线和射频板集成在一起，做成AOC(Antenna on Chip)的形式，减少毫米波天线连接器的使用。

测试模块2的中频接口通过射频同轴线缆与增益衰减和滤波模块衔接后与收发变频模块相连；毫米波收发变频模块直接接入测试仪表中，减少转接头和射频线缆的损耗。在不影响对应通道隔离度的情况下，如图3所示，可以装有16个直线导轨5，每个直线导轨5上可安装1个可升降支撑杆6，每个直线导轨5可在工作台的带动下转动22.5度。可以后移待测毫米波设备1 和测试模块2之间的距离，可以计算出随着距离的后移，待测毫米波设备1 在该频率下的覆盖范围。

各个测试模块2既可以均匀的排列，也可以不均匀的排列，既可以通过信道选择开关，增加测试的探头数目，也可以减少，可以减少探头间的耦合效应；可以将其中不同位置(高低，远近，角度)的或者多个测试模块2作为干扰模块，和信号发生器相连，发出干扰信号，待测毫米波设备1进行通信连接，测试这个毫米波信道下的待测毫米波设备1的接收灵敏度，从而验证待测毫米波设备1的抗干扰性能。

传统模式下，测试天线是多根安装在暗室本体的内壁，本实用新型中，针对待测毫米波设备1的尺寸不同，对测试空间进行分割，使毫米波的测试更加精确和灵活。此场景下，可设置16个或更多探头(即上述所述的测试模块2)，支持MU-MIMO场景下多探头法的OTA毫米波测试方案。本实用新型采用多探头方案，并加以改进，尽可能减少路径损耗的前提下，提高了OTA 测试的精确度，使多个探头的空间方向性可控，还原真实的信道环境。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：包括测试装置、测试仪器、计算机和驱动装置，测试装置和待测毫米波设备(1)均置于吸波暗室中，测试装置包括测试模块(2)、工作台、若干直线导轨(5)和支撑杆(6)，待测毫米波设备(1)安装在工作台上，测试模块(2)安装在支撑杆(6)上，支撑杆(6)沿直线导轨(5)滑动，测试模块(2)通过直线导轨(5)和支撑杆(6)在各种空间位置、高度和角度下收发毫米波信号，所述的计算机用于控制驱动装置驱动工作台，所述的计算机用于控制测试仪器，测试模块(2)与测试仪器连接，待测毫米波设备(1)与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：所述的工作台包括基座(3)、转台(4)、方向角定位器和基座的滚轴(8)，转台(4)搭建在基座(3)上，方向角定位器放置在转台(4)上，所述的方向角定位器用于定位待测毫米波设备(1)，直线导轨(5)的一端嵌入基座的滚轴(8)中，直线导轨(5)的另一端下面设置滚轮。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：所述多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括圆形底盘(9)，直线导轨(5)的另一端沿圆形底盘(9)的边缘旋转。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：所述多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括增益衰减和滤波模块、毫米波收发变频模块和信道选择开关，测试模块(2)将毫米波信号变频后经对应的信道选择开关传输给增益衰减和滤波模块，增益衰减和滤波模块对信号进行处理后传输给吸波暗室外的毫米波收发变频模块转换成毫米波信号，并将转换后的毫米波信号送入测试仪器进行处理。

5.根据权利要求3所述的一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：所述的测试模块(2)包括收发变频模块和测试天线，收发变频模块通过测试天线与待测毫米波设备(1)进行毫米波信号的收发。

6.根据权利要求3所述的一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：所述的测试仪器包括信号发生器、信号分析仪、网络分析仪和频谱分析仪，所述的信号发生器用于发出毫米波信号，所述的信号分析仪用于分析毫米波信号，所述的网络分析仪用于计算损耗，通过增益衰减和滤波模块进行补偿校准；所述的频谱分析仪用于从频域直观的观测信号的特性。

7.根据权利要求3所述的一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：所述多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括校准天线，校准天线作为基准放置在工作台上。

8.根据权利要求3-7任一项所述的一种多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置，其特征在于：所述多自由度毫米波MU-MIMO系统多探头测试装置还包括监视器，监视器安装在吸波暗室外，通过监视器在吸波暗室外观察吸波暗室内的情况。

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