4. R&S OTA测试系统硬件架构
OTA（Over-The-Air，空口）测试系统并不是把几台仪表简单堆在一间暗室里，而是一套围绕“被测终端（DUT）在三维空间中的辐射与接收性能”组织起来的测量系统。理解它的硬件架构，关键是理解各仪表在信号链中扮演的角色、它们如何被切换单元统一调度、以及定位器与多探头阵列如何把“空间维度”引入测量。本节以R&S OTA系统为背景，梳理矢量网络分析仪（VNA）、信号发生器（SG）、频谱仪（SA/接收机）、切换单元（Switch Unit）、定位器（Positioner）与多探头阵列（Multi-Probe Array）的集成方式。
一、从“测什么”反推“怎么连”
OTA测试的核心量是终端在特定方向上的等效全向辐射功率（EIRP）、等效全向灵敏度（EIS）以及总辐射功率（TRP）、总各向同性灵敏度（TIS）。EIRP/EIS是“单方向”量，需要把探头对准某个空间角度；TRP/TIS是“全空间”量，需要对整个球面采样后积分。这两类需求直接决定了硬件架构：单方向测量依赖定位器转动DUT或探头切换，全空间测量则依赖多探头阵列并行采样或定位器逐点扫描。
因此，系统集成的主线可以概括为：信号源产生激励，被测终端或测试探头完成收发，VNA负责通道与路径校准，频谱仪/接收机负责功率与解调测量，切换单元负责在多个探头与仪表之间建立可重复的射频路径，定位器负责角度定位，多探头阵列负责空间采样。所有仪表通过LAN/GPIB与系统控制器连接，由测试软件统一编排。
二、各仪表在信号链中的位置
矢量网络分析仪（VNA）在OTA系统中主要承担两类任务：一是暗室与射频路径的校准，包括探头到仪表端口的S参数、路径损耗、相位一致性；二是部分系统用VNA替代专用接收机，通过测量复数传输系数获得幅度与相位信息。VNA的端口通常经切换单元连接到各探头，校准时把已知标准件（如校准件或参考天线）接入，得到每条路径的复校正因子。
信号发生器（SG）用于下行链路：产生符合制式要求的调制信号（如LTE/NR的参考信号），经功放和切换单元馈入测试探头，向DUT辐射。SG的关键参数是频率范围、输出功率范围、调制带宽与EVM。在EIS测试中，SG的输出功率需要精确可控，以便逐步降低电平寻找误码率或吞吐量门限。
频谱仪/接收机（SA）用于上行链路：接收DUT辐射的信号，测量其功率、频谱与解调质量。在EIRP测试中，SA读取探头接收到的功率，结合路径损耗与探头增益换算出EIRP；在TIS测试中，SA或专用接收机测量误码率/吞吐量，判断是否达到灵敏度门限。
切换单元（Switch Unit）是系统的“路由中枢”。多探头阵列意味着有几十甚至上百条射频路径，不可能为每条路径配一台仪表。切换单元通过开关矩阵把选定的探头端口连接到SG或SA，同时保证非选中路径处于良好匹配状态，避免反射和串扰。切换单元的插入损耗、隔离度、切换重复性是影响测量不确定度的重要参数。
定位器（Positioner）用于单探头或少量探头系统中的角度扫描。它通常是一个方位-俯仰两轴转台，把DUT固定在转台中心，按预设角度网格转动。定位器的角度精度、重复定位精度和线缆扭动带来的相位变化，都会影响TRP/TIS的积分结果。
多探头阵列（Multi-Probe Array）是暗室内壁按球面分布的探头群。它把“机械转动”换成“电子切换”，大幅缩短全空间扫描时间。阵列的探头间距、极化方式（单极化/双极化）、覆盖角度范围决定了空间采样密度和可测球面范围。典型系统中，阵列与定位器可以组合使用：阵列覆盖大部分球面，定位器补充剩余角度或调整DUT姿态。
三、集成方式与关键约束
把上述部件集成为一套可用的OTA系统，需要处理三类约束。
第一是射频路径的一致性。从切换单元到每个探头的线缆长度、损耗、相位都不同。系统在正式测试前必须做路径校准：用VNA测量每条路径的S21，得到幅度和相位校正表。校准时通常把参考天线放在DUT位置，逐一切换探头，记录每个探头端口的接收功率，再与参考天线的已知增益比较。校准结果以查找表形式存入测试软件，测试时按探头编号调用。
第二是切换时序与测量同步。一次TRP扫描可能涉及数百个角度点。每个点需要：切换单元选通对应探头→SG稳定输出→SA触发采集→读取功率值。如果切换单元切换后立即采集，开关瞬态和线缆反射会导致读数偏差。工程上通常在切换后插入几毫秒的稳定等待，再触发SA。对于TIS测试，还需要在SG和SA之间建立误码率/吞吐量的闭环，SG逐步降功率，SA或DUT反馈误码率，直到达到门限。
第三是暗室内的机械与电气布局。多探头阵列的线缆需要沿吸波材料背后走线，避免线缆本身成为辐射体。定位器的电机和控制器要放在暗室外或做屏蔽，防止电机噪声进入测量频段。DUT的供电和通信线缆也要经过滤波，否则会引入额外辐射，污染EIRP测量结果。
四、一个典型的TRP测量配置示例
假设测试一台Sub-6GHz NR终端，频段3.5GHz，暗室为多探头阵列系统，阵列含16个双极化探头，覆盖方位0°~360°、俯仰0°~180°。配置流程如下：
- 把DUT固定在定位器中心，连接供电与通信线，确认DUT进入测试模式并持续发射。
- 在测试软件中选择TRP测试项，设置频段、带宽、采样角度网格（如方位每15°、俯仰每15°）。
- 系统按角度网格依次选通对应探头，SA读取每个探头端口的接收功率。
- 软件调用路径校准表，把每个端口的读数换算为对应方向的EIRP。
- 对所有方向的EIRP按球面积分，得到TRP值。
示例参数：若某方向探头端口读数为-45dBm，该路径校准因子为32dB，探头增益为6dBi，则EIRP≈-45+32+6=-7dBm。这只是一个用于说明换算关系的假设数值，实际结果需以校准后的系统为准。判断TRP是否合格，需与终端类别对应的限值比较，同时检查各方向EIRP的分布是否连续、有无异常凹陷，以排除线缆或探头故障。
五、架构选择对测试效率的影响
单探头加定位器的方案硬件简单、成本低，但全空间扫描需要机械转动，耗时较长，适合研发阶段的详细方向图测量。多探头阵列方案用电子切换替代机械转动，扫描速度快，适合产线或认证测试中的TRP/TIS快速评估。实际系统中，两者常组合使用：阵列覆盖主要球面，定位器负责调整DUT姿态或补充阵列未覆盖的角度区域。切换单元的端口数和隔离度决定了可支持的探头数量，也决定了系统能扩展的最大测试口径。
理解这套架构后，再看OTA测试中的任何一项测量，都可以沿着“信号从哪来、经过哪条路径、由谁测量、如何校准”这条线索去定位问题。硬件集成方式不是背景知识，而是判断测量结果是否可信的基础。