Trên một trạm gốc thế hệ cũ, kỹ sư tháo cáp jumper, cắm máy phân tích tín hiệu vào đầu nối, đọc công suất và kết luận. Trên một trạm gốc AAS — nơi hàng chục tới hàng trăm phần tử bức xạ được tích hợp thẳng vào khối vô tuyến — đầu nối đó không còn tồn tại. Toàn bộ đo kiểm mảng ăng-ten pha vì thế phải diễn ra qua không gian. Bài viết này đi vào lý do kỹ thuật của thay đổi đó, ba đại lượng cốt lõi trong đo bức xạ, bài toán kích thước buồng đo và chuỗi thiết bị cho từng giai đoạn.
Vì sao đo kiểm mảng ăng-ten pha buộc phải làm qua không gian
Nguyên nhân là kiến trúc, không phải sở thích. Trong một mảng pha, mỗi phần tử bức xạ được cấp tín hiệu với biên độ và pha riêng; kỹ thuật tạo búp sóng — beamforming — chính là việc điều khiển bộ biên độ và pha đó. Búp sóng tổng hợp chỉ hình thành trong không gian, sau khi trường từ tất cả các phần tử cộng lại, nên đo tại một điểm bên trong chuỗi phát chỉ cho biết một nhánh chứ không cho biết búp sóng thực tế.
3GPP phản ánh điều đó trong TS 38.104 bằng cách định nghĩa các loại trạm gốc theo phương thức đo. BS type 1-O là trạm gốc NR hoạt động ở FR1 với bộ yêu cầu thuần bức xạ, còn BS type 2-O là trạm gốc FR2 cũng với bộ yêu cầu thuần bức xạ. Với hai loại này, đặc tính được định nghĩa qua không gian và quy chiếu về một mặt biên gọi là Radiated Interface Boundary. Nói cách khác, mặt phẳng tham chiếu của phép đo không còn là một đầu nối vật lý mà là một mặt bao quanh thiết bị.
Ba đại lượng cốt lõi: EIRP, EIS và TRP
Khi chuyển sang đo bức xạ, bộ đại lượng cũng đổi theo.
EIRP là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương theo một hướng xác định. Đây là đại lượng dùng cho phần lớn phép đo phát: nó nói thiết bị dồn bao nhiêu công suất về hướng đang xét, tức là trực tiếp mô tả chất lượng tạo búp sóng.
EIS là mức tín hiệu vào tương đương mà máy thu còn nhận đúng, tức là độ nhạy nhưng đo qua không gian. Điểm tinh tế nằm ở chỗ độ nhạy của mảng pha phụ thuộc hướng. 3GPP vì thế định nghĩa vùng góc tham chiếu OTA REFSENS RoAoA bằng đường bao gồm các điểm mà EIS đạt được cao hơn 3 dB so với EIS ở hướng tham chiếu. Kết quả đo do đó không phải một con số mà là một vùng góc.
TRP là tổng công suất bức xạ, lấy tích phân trên toàn mặt cầu bao quanh thiết bị. TRP không phụ thuộc hướng nên phù hợp cho các yêu cầu về phát xạ không mong muốn.
Nhầm lẫn giữa ba đại lượng này là lỗi phổ biến nhất khi đọc báo cáo đo: EIRP nói về hướng tốt nhất, TRP nói về tổng thể, EIS nói về phía thu.
Trường gần, trường xa và bài toán kích thước buồng đo
Mọi định nghĩa trên đều giả định sóng tới thiết bị là sóng phẳng, tức là điều kiện trường xa. Ranh giới được xác định bằng tiêu chí Fraunhofer:
d = 2D² / λ
với D là kích thước lớn nhất của khẩu độ ăng-ten và λ là bước sóng. Công thức không phải quy ước tuỳ tiện: nó xuất phát từ điều kiện sai pha trên khẩu độ không vượt quá π/8 radian, tức 22,5 độ — ngưỡng quen thuộc để coi mặt sóng là phẳng. Tiêu chí này áp dụng khi D lớn hơn hoặc bằng λ; với ăng-ten rất nhỏ so với bước sóng, công thức mất ý nghĩa và cần các tiêu chí chặt hơn.
Vấn đề bộc lộ ngay khi thay số cho mmWave. D lớn vì mảng nhiều phần tử, λ nhỏ vì tần số cao, và vì D vào tử số ở dạng bình phương nên khoảng cách trường xa tăng rất nhanh. Với các mảng cỡ vừa ở dải mmWave, khoảng cách yêu cầu dễ dàng vượt quá kích thước một buồng đo thực tế.
Có hai lối ra, và cả hai đều phải đánh đổi.
Buồng CATR đặt một gương phản xạ parabol trong buồng để biến sóng cầu từ nguồn thành sóng phẳng ở khoảng cách ngắn hơn nhiều so với tiêu chí Fraunhofer. Chất lượng phép đo khi đó phụ thuộc vào độ chính xác bề mặt gương và vùng yên tĩnh mà nó tạo ra.
Đo trường gần rồi biến đổi sang trường xa lấy biên độ và pha trên một mặt gần thiết bị, sau đó dùng phép biến đổi toán học để suy ra giản đồ trường xa. Cách này thu nhỏ buồng đáng kể nhưng đòi hỏi đo được pha chính xác và hiệu chuẩn tốt; sai số pha trong dữ liệu trường gần lan thẳng vào giản đồ trường xa.
Về hạ tầng, dòng buồng MPAC của Keysight cho thấy các con số thực tế: cấu hình 2D MPAC Pro có chiều dài đo 1,06 m, tối đa 3 góc tới và tải thiết bị tới 5 kg; cấu hình 3D MPAC có chiều dài đo 1 m, tối đa 8 góc tới và tải tới 12 kg, với tuỳ chọn hai, sáu hoặc tám ăng-ten thăm dò. Dải tần phủ 600 MHz đến 8.000 MHz và 22 GHz đến 50 GHz, phục vụ kiểm thử tuân thủ giao thức, đánh giá MIMO, quản lý và bám búp sóng động cùng các bài RRM nhiều góc tới. Nguyên tắc chọn giản đồ đầy đủ so với phép đo nhanh tại vài hướng đã được bàn trong bài đo ăng ten: VSWR, return loss và giản đồ bức xạ.
Chuỗi thiết bị cho từng giai đoạn đo kiểm mảng ăng-ten pha
Phân tích tín hiệu bức xạ ở mmWave. Đo EIRP hay phát xạ không mong muốn ở FR2 đòi hỏi máy phân tích vừa với tới tần số cao vừa đủ dải động, vì tín hiệu đã suy hao đáng kể trên quãng đường không gian. Keysight N9042B quét không chia băng từ 2 Hz tới 75 GHz, băng thông phân tích tối đa 4 GHz, nền nhiễu hiển thị −168 dBm ở 1 GHz và nhiễu pha −135 dBc/Hz tại offset 10 kHz ở 1 GHz. Máy cũng hỗ trợ phân tích phổ thời gian thực — hữu ích khi búp sóng quét nhanh và tín hiệu chỉ tồn tại trong khoảnh khắc, tương tự tình huống đã mô tả trong bài phân tích phổ thời gian thực.
Kích thích và thu nhiều kênh trong giai đoạn thiết kế. Hiệu chuẩn búp sóng cần điều khiển biên độ và pha trên nhiều nhánh cùng lúc, nên kiến trúc mô-đun có lợi thế rõ. Keysight M9410A gộp bộ phát và bộ phân tích vector vào một mô-đun PXIe hai khe, phủ tới 6 GHz với băng thông tức thời tuỳ chọn 300 MHz, 600 MHz hoặc 1,2 GHz, công suất ra từ −120 dBm tới +20 dBm ở 1 GHz và tốc độ chuyển tần 50 µs. Thiết kế này hướng tới đo đa kênh và đa vị trí trong giai đoạn kiểm định thiết kế và sản xuất.
Kiểm thử ở mức báo hiệu và kịch bản mạng. Quản lý búp sóng không chỉ là bài toán RF: thiết bị phải chọn búp, báo cáo và chuyển búp theo đúng thủ tục. Keysight E7515B phủ 380 MHz tới 15 GHz, hỗ trợ FR1 và mở rộng sang FR2 qua đầu vô tuyến từ xa, cấu hình 8 sóng mang thành phần đường xuống và 4 đường lên với băng thông NR tổng hợp tối đa 800 MHz trên 8 cổng RF. Nền tảng bám 3GPP Release 15 trở lên, có fading nội bộ cho NR và LTE, và hỗ trợ kiểm thử nhiều góc tới cùng kiểm định OTA trong buồng đo.
Lưu ý thực hành trước khi bấm nút đo
Thứ nhất, hiệu chuẩn đường truyền không gian là một phần của phép đo chứ không phải thủ tục phụ: suy hao đường truyền, đặc tính ăng-ten thăm dò và cáp đều nằm giữa thiết bị và máy đo, bỏ qua một khâu là dịch toàn bộ kết quả.
Thứ hai, phải ghi rõ búp sóng nào đang được đo. Một mảng pha có nhiều cấu hình búp, và số liệu EIRP không kèm khai báo búp thì không tái lập được.
Thứ ba, cân nhắc sớm giữa CATR và trường gần, vì quyết định này chi phối chi phí, diện tích phòng và ngân sách sai số của cả dự án.
Kết luận
Đo kiểm mảng ăng-ten pha là bài toán trong đó hạ tầng đo quyết định chất lượng số liệu ngang với thiết bị đo. Ba điều đáng ghim lại: bộ đại lượng chuyển hẳn sang EIRP, EIS và TRP với EIS được định nghĩa trên một vùng góc chứ không phải một điểm; ranh giới trường xa 2D²/λ xuất phát từ ngưỡng sai pha 22,5 độ và tăng theo bình phương kích thước khẩu độ; và khi khoảng cách đó vượt quá phòng đo thì CATR hoặc biến đổi trường gần sang trường xa là hai lối ra, mỗi lối kèm một ngân sách sai số riêng.
Sau khi chọn được cấu hình, giá trị đo chỉ có ý nghĩa khi chuỗi truy xuất chuẩn còn hiệu lực. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025, hỗ trợ hiệu chuẩn định kỳ cho máy phân tích tín hiệu, bộ thu-phát vector và thiết bị đo vô tuyến. Để được tư vấn cấu hình hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
