讀懂5G基站天線(xiàn)OTA測(cè)試方案

【摘 要】5G基站天線(xiàn)OTA測(cè)試方法研究對(duì)5G基站大規(guī)模MIMO有源天線(xiàn)OTA測(cè)試方法進(jìn)行了研究。文中分析了5G基站天線(xiàn)一體化OTA測(cè)試的必要性，介紹了遠(yuǎn)場(chǎng)、緊縮場(chǎng)、多探頭近場(chǎng)、單探頭近場(chǎng)等不同的OTA測(cè)試方案，通過(guò)實(shí)際測(cè)試對(duì)各個(gè)測(cè)試方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了當(dāng)前5G基站天線(xiàn)OTA測(cè)試所面臨的問(wèn)題并提出了解決方案。

【關(guān)鍵詞】5G；基站天線(xiàn)；OTA測(cè)試

1、引言

5G移動(dòng)通信技術(shù)能夠滿(mǎn)足人們對(duì)于高速、大容量、高可靠、低時(shí)延等快速增長(zhǎng)的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求[1-3]。而大規(guī)模MIMO有源天線(xiàn)技術(shù)[4-6]作為5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以通過(guò)空間復(fù)用大幅度提升頻譜利用效率，結(jié)合新型編碼技術(shù)[7]可以大幅度提升通信系統(tǒng)容量和通信速率。因此，大規(guī)模MIMO有源天線(xiàn)技術(shù)是目前5G移動(dòng)通信基站所普遍采用的技術(shù)，但隨之而來(lái)的便是5G基站天線(xiàn)如何進(jìn)行測(cè)試的問(wèn)題[8]。

對(duì)于傳統(tǒng)基站而言，天線(xiàn)與RRU（Radio Remote Unite，射頻拉遠(yuǎn)單元）是相互分離的，他們之間通過(guò)射頻線(xiàn)纜連接，相對(duì)獨(dú)立，性能互不影響，其各自的性能可以分別通過(guò)獨(dú)立測(cè)試進(jìn)行檢驗(yàn)。天線(xiàn)的輻射性能測(cè)試可以在微波暗室通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)方式完成，無(wú)源天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)測(cè)試均是目前測(cè)試天線(xiàn)性能所廣泛采用的成熟的測(cè)試方法[9-10]。RRU的射頻指標(biāo)可以在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)傳導(dǎo)方式測(cè)量。

參考傳統(tǒng)基站測(cè)試方式，很容易提出把有源天線(xiàn)系統(tǒng)拆分成無(wú)源天線(xiàn)陣列和RRU兩部分分別進(jìn)行天線(xiàn)輻射性能測(cè)試和射頻傳導(dǎo)測(cè)試的方案。事實(shí)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，“無(wú)源天線(xiàn)陣列+功分網(wǎng)絡(luò)+信號(hào)源”所測(cè)得的波束賦形方向圖與5G基站有源天線(xiàn)一體化OTA（Over the Air，空口輻射）測(cè)試的結(jié)果并不一致?！癛RU+耦合板”的射頻性能傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果與一體化OTA測(cè)得的射頻輻射指標(biāo)也存在差別。原因在于對(duì)于5G基站天線(xiàn)而言，天線(xiàn)與RRU集成在一起，一方面電磁耦合、有源駐波等干擾因素不能完全消除；另一方面，有源天線(xiàn)的校準(zhǔn)及幅相加權(quán)是通過(guò)各個(gè)射頻通道上的一系列有源器件配合完成的，與無(wú)源天線(xiàn)陣列通過(guò)無(wú)源的功分網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行幅相加權(quán)的方式差別很大。所以對(duì)于采用了大規(guī)模MIMO有源天線(xiàn)技術(shù)的5G基站而言，一體化OTA測(cè)試方式才能有效反映其性能指標(biāo)。尤其到了毫米波頻段，頻段更高，設(shè)備尺寸更小，電磁干擾問(wèn)題更加突出，拆分測(cè)試將會(huì)非常困難，只能采用一體化OTA測(cè)試方案。

2017年12月凍結(jié)的3GPP 5G新空口協(xié)議中已經(jīng)寫(xiě)入了關(guān)于5G基站的所有射頻性能指標(biāo)的OTA測(cè)試規(guī)范，這意味著5G基站天線(xiàn)一體化OTA測(cè)試將會(huì)成為5G基站硬件性能測(cè)試的主要方案。然而目前射頻指標(biāo)的OTA測(cè)試卻仍面臨著諸多困難。本文深入研究了大規(guī)模有源天線(xiàn)系統(tǒng)的OTA測(cè)試方法，分別在遠(yuǎn)場(chǎng)、緊縮場(chǎng)、多探頭球面近場(chǎng)、單探頭近場(chǎng)等不同場(chǎng)地進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)各個(gè)測(cè)試方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了面臨的問(wèn)題和相應(yīng)的解決方案。

2、5G基站天線(xiàn)OTA測(cè)試方案

天線(xiàn)的輻射性能一般在其輻射近場(chǎng)區(qū)或遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)以O(shè)TA方式進(jìn)行測(cè)試。天線(xiàn)輻射近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的分界為：源天線(xiàn)發(fā)射的球面波前到達(dá)被測(cè)天線(xiàn)中心和邊緣的波程差為λ/16。換算為距離上的判斷依據(jù)為d=2D2/λ，其中，d為探測(cè)點(diǎn)與被測(cè)天線(xiàn)的距離，D為被測(cè)天線(xiàn)的口徑，λ為被測(cè)天線(xiàn)所發(fā)射電磁波波長(zhǎng)。

據(jù)此， 天線(xiàn)測(cè)試分為遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試和近場(chǎng)測(cè)試兩大類(lèi)，而不同的測(cè)試方案會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的差異。下面介紹幾種經(jīng)典的有源天線(xiàn)OTA測(cè)試方案。

（1）遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方案

遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試是最直接的測(cè)試方式，在測(cè)試距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，入射波在接收面上近似于平面波。圖1所示為遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，被測(cè)件可以在垂直面和水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，測(cè)試探頭位置固定，可以極化旋轉(zhuǎn)。該測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)試5G基站天線(xiàn)的波束賦形方向圖和EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，有效全向輻射功率）、EVM（Error Vector Magnitude，誤差向量幅度）、占用帶寬、EIS（Effective Isotropic Sensitive，有效全向靈敏度）等射頻輻射指標(biāo)。

圖1、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

（2）緊縮場(chǎng)測(cè)試方案

緊縮場(chǎng)測(cè)試是一種遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方式， 它可以利用反射鏡或透鏡把位于焦點(diǎn)處的饋源發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)換為平面波，從而實(shí)現(xiàn)有限物理空間內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。圖2 所示是一個(gè)拋物面單反射鏡緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，可以測(cè)試5G基站天線(xiàn)的波束賦形方向圖和EIRP、EVM、占用帶寬、ACLR（Adjacent Channel Leakage Power Ration，相鄰頻道泄露功率比）、EIS、ACS（Adjacent Channel Selectivity，臨道選擇性）等射頻輻射指標(biāo)。

圖2、單反射鏡緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

（3）多探頭球面近場(chǎng)測(cè)試方案

近場(chǎng)測(cè)試是在被測(cè)天線(xiàn)的輻射近場(chǎng)區(qū)采集幅度和相位信息，然后通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換算法將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。多探頭球面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，在被測(cè)件輻射近場(chǎng)內(nèi)沿圓周上布置大量探頭，被測(cè)件僅需旋轉(zhuǎn)180°即被采集到整個(gè)輻射球面的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以測(cè)試CW（Continuous Wave，連續(xù)波）模式下的5G基站天線(xiàn)的波束賦形方向圖。

圖3、多探頭球面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

（4）單探頭近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

單探頭近場(chǎng)測(cè)試比多探頭球面近場(chǎng)測(cè)試效率降低，但是其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，所需空間更小。如圖4所示的小型近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，被測(cè)件可以在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，探頭可以在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸配合下可以采集到一個(gè)輻射球面的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以測(cè)試CW模式下的5G基站天線(xiàn)的波束賦形方向圖，也可以測(cè)試業(yè)務(wù)信號(hào)模式下的射頻輻射指標(biāo)，但對(duì)測(cè)試結(jié)果的處理尚需進(jìn)一步分析。

圖4、單探頭近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

3、各測(cè)試方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是：由于接收天線(xiàn)距離發(fā)射天線(xiàn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)，電磁波由發(fā)射天線(xiàn)傳播到接收天線(xiàn)時(shí)近似于平面波，所采集數(shù)據(jù)無(wú)需近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換，測(cè)試設(shè)備可以發(fā)射大功率信號(hào)，可以測(cè)試調(diào)制寬帶信號(hào)，支持多用戶(hù)測(cè)試等。缺點(diǎn)是：因?yàn)闇y(cè)試距離需大于遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)，所以測(cè)試場(chǎng)地占地面積大，建設(shè)成本高。以口徑為1 m，工作在3.5 GHz頻段的天線(xiàn)為例，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)公式計(jì)算得到遠(yuǎn)場(chǎng)條件為大于25 m。測(cè)試距離越遠(yuǎn)，電磁波輻射越接近平面波，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)空間損耗太大的問(wèn)題。另外，由于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試一般只有一個(gè)探頭，所以單次測(cè)試只能畫(huà)出天線(xiàn)輻射球面的一個(gè)切面，如果想要得到整個(gè)輻射球面的3D方向圖，需要在不同的切面上多次測(cè)量，測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本大幅增加。

緊縮場(chǎng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是： 相比遠(yuǎn)場(chǎng)大幅縮減了場(chǎng)地尺寸，從而大大降低了場(chǎng)地建設(shè)成本和測(cè)量路徑損耗。其測(cè)試結(jié)果與直接遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試最為接近，可以測(cè)試CW波和業(yè)務(wù)信號(hào)。得益于路徑損耗的降低，它可以比遠(yuǎn)場(chǎng)方案測(cè)量更多的射頻輻射指標(biāo)。缺點(diǎn)是：與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的缺點(diǎn)類(lèi)似，3D方向圖的測(cè)試效率較低，另外就是反射鏡造價(jià)和后期維護(hù)成本較高。

多探頭球面近場(chǎng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是：占地面積小，可以單次測(cè)試給出3D方向圖，測(cè)試效率高，空間損耗低，CW模式下方向圖測(cè)試結(jié)果與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果接近。缺點(diǎn)是：測(cè)試系統(tǒng)接收功率上限較低，被測(cè)5G基站滿(mǎn)功率發(fā)射時(shí)，測(cè)設(shè)接收設(shè)備須前置衰減器；測(cè)量數(shù)據(jù)需要后期處理進(jìn)行近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換；近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換需要有參考相位，目前由于參考相位的問(wèn)題，業(yè)務(wù)信號(hào)模式下的測(cè)量結(jié)果還不能令人滿(mǎn)意。

單探頭近場(chǎng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是：占用空間很小，暗室建設(shè)成本低，轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以便捷地安裝和拆卸被測(cè)設(shè)備，空間損耗低，CW模式下方向圖測(cè)試結(jié)果與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果較為接近。缺點(diǎn)是：由于結(jié)構(gòu)原因，天線(xiàn)背瓣數(shù)據(jù)采集不完整；只有一個(gè)測(cè)試探頭，測(cè)試3D方向圖效率不及多探頭球面近場(chǎng)；采集到的數(shù)據(jù)需后續(xù)進(jìn)行近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換。

4、面臨的問(wèn)題和解決方案

當(dāng)前的OTA測(cè)試方案，無(wú)論是遠(yuǎn)場(chǎng)方案還是近場(chǎng)方案，都能在CW模式下測(cè)試5G基站天線(xiàn)的輻射方向圖。然而關(guān)于射頻指標(biāo)輻射性能的測(cè)試，目前遠(yuǎn)場(chǎng)方案受限于路徑損耗比較大，只能測(cè)試EIRP、EVM、占用帶寬、EIS等功率水平比較高的參量。對(duì)于功率水平特別低的下行射頻指標(biāo)如ACLR、開(kāi)關(guān)時(shí)間模板、雜散發(fā)射等，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)比較遠(yuǎn)的測(cè)試距離后衰減到噪聲水平甚至更小，難以測(cè)試。在測(cè)上行指標(biāo)時(shí)，輔信號(hào)源發(fā)出的干擾信號(hào)在經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)的路徑衰減后，難以達(dá)到ACS、帶內(nèi)阻塞、共址阻塞等射頻指標(biāo)測(cè)試所需的功率水平，也給測(cè)試帶來(lái)困難。近場(chǎng)測(cè)試方案雖然路徑損耗比遠(yuǎn)場(chǎng)低得多，但是其在寬帶業(yè)務(wù)信號(hào)模式下取參考相位的方式仍存在問(wèn)題，射頻輻射測(cè)試結(jié)果與期望值仍有不小的差距。

由于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測(cè)試階段需要測(cè)試驗(yàn)證的指標(biāo)比較全面，對(duì)于該類(lèi)測(cè)試應(yīng)該采用緊縮場(chǎng)或降損耗的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法。通過(guò)在一定范圍內(nèi)縮短遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離、增大喇叭天線(xiàn)增益、使用低損耗射頻線(xiàn)纜并縮短射頻線(xiàn)布線(xiàn)距離，可以大幅降低路徑損耗，使得遠(yuǎn)場(chǎng)方案能夠擴(kuò)展測(cè)試ACLR、ACS等射頻指標(biāo)。而緊縮場(chǎng)本身的路徑損耗就比遠(yuǎn)場(chǎng)小得多，能比遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量更多的射頻指標(biāo)。但仍有一些射頻指標(biāo)由于本身功率就特別低，怎樣縮減路徑損耗都是不夠的，現(xiàn)階段只能通過(guò)傳導(dǎo)方式來(lái)測(cè)試。而對(duì)于產(chǎn)線(xiàn)測(cè)試，要求測(cè)試成本低、效率高、占用空間小，能夠測(cè)試典型指標(biāo)，單探頭近場(chǎng)測(cè)試方案就比較適合。至于未來(lái)的5G高頻段的測(cè)試，由于頻率更高，損耗更嚴(yán)重，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試將變得不太適合，傳導(dǎo)測(cè)試更加困難，需要采用近場(chǎng)測(cè)試和感應(yīng)近場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方案，而近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換算法需要參考信號(hào)，這就需要設(shè)備廠(chǎng)商與測(cè)量?jī)x表廠(chǎng)商配合解決從設(shè)備取參考信號(hào)的問(wèn)題。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文研究了5G基站大規(guī)模MIMO有源天線(xiàn)OTA測(cè)試方法。利用本單位的5G基站設(shè)備通過(guò)實(shí)際測(cè)試研究了遠(yuǎn)場(chǎng)、緊縮場(chǎng)、多探頭近場(chǎng)、單探頭近場(chǎng)等不同的OTA測(cè)試方案，對(duì)各個(gè)場(chǎng)地的建設(shè)成本、測(cè)試能力和測(cè)試效率進(jìn)行了分析，提出了測(cè)試中所面臨的問(wèn)題和相應(yīng)的解決方案，為當(dāng)前和未來(lái)的5G基站天線(xiàn)OTA測(cè)試提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] IMT-2020（5G）推進(jìn)組. 5G愿景與需求白皮書(shū)[R].2014.
[2] 王志勤,羅振東,魏克軍. 5G業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程[J]. 中興通訊技術(shù), 2014,25(2): 1-4.
[3] 董愛(ài)先,王學(xué)軍. 第5代移動(dòng)通信技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 通信技術(shù), 2014(3): 235-240.
[4] 夏威,劉冰華. 5G概述及關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介[J]. 電腦與電信,2014,55(8): 51-52.
[5] Y Li, C Wang, H Yuan, et al. A 5G MIMO Antenna Manufactured by 3D Printing Method[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2016(16): 657-660.
[6] KNRSV Prasad, E Hossain, VK Bhargava. Energy Efficiency in Massive MIMO-Based 5G Networks: Opportunities and Challenges[J]. IEEE Wireless Communications, 2017,24(3): 86-94.
[7] 張長(zhǎng)青. 面向5G的非正交多址接入技術(shù)的比較[J]. 電信網(wǎng)技術(shù), 2015(11): 42-49.
[8] 張瑞艷,邵哲,曹景陽(yáng). 大規(guī)模陣列天線(xiàn)基站的OTA測(cè)試方法研究[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(5): 91-96.
[9] 唐偉生,謝澤明. TD-SCDMA終端OTA測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2010,26(12): 116-118.
[10] 張士選,李勇,張福順,等. 超低副瓣天線(xiàn)近場(chǎng)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2000,27(3): 368-374.★