5G毫米波終端技術及測試方案分析

1、引言

隨著移動通信的迅猛發(fā)展，低頻段頻譜資源的開發(fā)已經(jīng)非常成熟，剩余的低頻段頻譜資源已經(jīng)不能滿足5G時代10Gbps的峰值速率需求，因此未來5G系統(tǒng)需要在毫米波頻段上尋找可用的頻譜資源。作為5G關鍵技術之一的毫米波技術已成為目前標準組織及產業(yè)鏈各方研究和討論的重點，毫米波將會給未來5G終端的實現(xiàn)帶來諸多的技術挑戰(zhàn)，同時毫米波終端的測試方案也將不同于目前的終端。本文將對毫米波頻譜劃分近況，毫米波終端技術實現(xiàn)挑戰(zhàn)及測試方案進行介紹及分析。

2、毫米波頻譜劃分

2015年，ITU-R WP5D發(fā)布了IMT.ABOVE 6GHz的研究報告，詳細研究了不同頻段無線電波的衰減特性。在同年的世界無線電通信大會（WRC-15）上提出了多個5G候選的毫米波頻段，最終5G毫米波頻譜的確定將在WRC-19上的完成。經(jīng)過多年的研究和討論，各國各地區(qū)對毫米波頻譜資源的劃分都有所進展，以下將著重介紹中國、美國及歐洲在毫米波頻段劃分上的近況。

中國：2017年6月，工信部面向社會廣泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波頻段用于5G系統(tǒng)的意見，并將毫米波頻段納入5G試驗的范圍，意在推動5G毫米波的研究及毫米波產品的研發(fā)試驗。

美國：早在2014年，F(xiàn)CC（美國聯(lián)邦通訊委員會）就開啟了5G毫米波頻段的分配工作，2016年7月，確定將27.5-28.35 GHz、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作為授權頻譜分配給5G，另外還為5G分配了64-71 GHz作為未授權頻譜。

歐洲：2016年11月，RSPG（歐盟委員會無線頻譜政策組）發(fā)布了歐盟5G頻譜戰(zhàn)略，確定將24.25-27.5 GHz作為歐洲5G 的先行頻段，31.8-33.4 GHz 、40.5-43.5 GHz作為5G潛在頻段。

3、毫米波終端技術實現(xiàn)

毫米波頻段頻率高、帶寬大等特點將對未來5G終端的實現(xiàn)帶來諸多挑戰(zhàn)，毫米波對終端的影響主要在于天線及射頻前端器件。

3.1 終端側大規(guī)模天線陣列

由于天線尺寸的限制，在低頻段大規(guī)模天線陣列只能在基站側使用。但隨著頻率的上升，在毫米波段，單個天線的尺寸可縮短至毫米級別，在終端側布置更多的天線成為可能。如下圖1所示，目前大多數(shù)LTE終端只部署了兩根天線，但未來5G毫米波終端的天線數(shù)可達到16根甚至更多，所有的天線將集成為一個毫米波天線模塊。由于毫米波的自由空間路損更大，氣衰、雨衰等特性都不如低頻段，毫米波的覆蓋將受到嚴重的影響。終端側使用大規(guī)模天線陣列可獲得更多的分集增益，提高毫米波終端的接收和發(fā)射性能，能夠在一定程度彌補毫米波覆蓋不足的缺點，終端側大規(guī)模天線陣列將會是毫米波得以商用的關鍵因素之一。

圖1：LTE終端與毫米波終端天線設想

終端部署更多的天線意味著終端設計難度的上升，與基站側部署大規(guī)模天線陣列不同，終端側的大規(guī)模天線陣列受終端尺寸、終端功耗的制約，其實現(xiàn)難度將大大增加，目前只能在固定終端上實現(xiàn)大規(guī)模天線陣列的布置。移動終端的大規(guī)模天線陣列設計面臨諸多挑戰(zhàn)，包括天線陣列校準，天線單元間的相互耦合以及功耗控制等。

3.2 毫米波射頻前端器件

射頻前端器件包括了功率放大器、開關、濾波器、雙工器、低噪聲放大器等，其中功率放大器是最為核心的器件，其性能直接決定了終端的通信距離、信號質量及待機時間。目前制造支持低頻段的射頻前端器件的材料多為砷化鎵、CMOS和硅鍺。但由于毫米波段與低頻段差異較大，低頻射頻前端器件的制造材料在物理特性上將很難滿足毫米波射頻前端器件的要求。

以功率放大器為例，目前主流的功率放大器制造材料為砷化鎵，但在毫米波頻段，氮化鎵及InP的制造工藝在性能指標上均要強于砷化鎵。下表所示為從低頻到毫米波段主要的射頻前端器件制造工藝上的發(fā)展方向。

另外，毫米波頻段大帶寬的特點對射頻前端器件的提出了更高的要求，未來毫米波終端的射頻前端器件將可能需支持1GHz以上的連續(xù)帶寬。

雖然氮化鎵被認為是未來毫米波終端射頻的主流制造工藝，但由于成本、產能等因素，基于氮化鎵工藝的高性能射頻前端器件多用于軍工和基站等特殊場景。毫米波射頻前端技術的發(fā)展將會成為毫米波終端實現(xiàn)的關鍵，預計到2020年之后，毫米波移動終端射頻器件的技術和成本才可能達到大規(guī)模商用的要求。

4、毫米波終端測試方案分析

目前LTE終端的實驗室測試主要使用傳導連接，使用射頻饋線將被測設備和測試儀表連接，這種測試方案對場地要求不高，受外界干擾較小。但隨著毫米波終端側的大規(guī)模天線陣列的使用，終端的無線收發(fā)器都將集成到天線形成天線模塊，未來毫米波終端可能不會存在射頻測試端口，而且高頻率下進行耦合帶來的高插損等因素使傳統(tǒng)的傳導連接測試的方案更不可行，因此OTA（Over The Air）測試將成為毫米波終端測試的主流方案。

OTA測試可直接測試設備的整體輻射性能，能夠對設備的整機性能進行測試，能夠更真實地反映設備的實際性能，但測試需要在微波暗室進行，對于測試的場地要求較為嚴格，測試費用昂貴。

目前LTE OTA和MIMO OTA的研究已經(jīng)較為深入，但毫米波的OTA研究還處于起步階段，有關毫米波OTA測試的標準立項已經(jīng)在CCSA開始討論。下圖3是LTE OTA測試系統(tǒng)的示意圖，未來毫米波終端OTA測試的方案預計會參考LTE OTA測試的系統(tǒng)，但由于毫米波工作頻率和主動天線陣技術等應用，未來毫米波OTA測試在技術上將進行一些改進。

OTA測試作為毫米波終端測試的必選方案，將面臨以下挑戰(zhàn)：

1）毫米波新型吸波材料。由于傳統(tǒng)的軟質海綿吸波材料在物理性能可電性能上存在缺陷，無法完全滿足5G毫米波測量的要求。因此研究并開發(fā)更適合于毫米波暗室的吸波材料將會是毫米波OTA測試的關鍵。

2）OTA測試遠場測量條件。OTA測試根據(jù)測試場類型可以分為近場和遠場測試。通常對于天線輻射性能的測試，測試接收天線一般置于遠場，此時電磁輻射屬于平面波，場的相對角分布與離開天線的距離無關，大小與離開天線的距離成反比，天線方向圖主瓣、副瓣和零值點已全部形成。而在近場接收天線可能會和發(fā)射天線會由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯誤的結果。遠場的判定條件是被測件與測量天線間的距離要大于2D2/λ，其中D為測量天線的直徑，λ為波長，由于毫米波段波長很短，因此天線遠場的距離較大，以30GHz頻段，測量天線直徑為0.2m為例，遠場的距離將達到80m，暗室難以達到如此大的尺寸，并且測試距離的增加還會增加被測終端到測量天線間的路徑損耗，會進一步降低測試系統(tǒng)的靈敏性和準確性。為解決毫米波遠場條件的問題，我們可以通過緊縮場法縮短測量距離，或者采用中區(qū)場測量的方式來代替遠場測量。

緊縮場法：其通常采用一個拋物面金屬反射板，將測量天線發(fā)送的球面波經(jīng)反射面反射形成平面波，在一定遠距離處形成一個良好的靜區(qū)。將天線安置在靜區(qū)內，測量天線的遠場特性，其類似于遠場測量，只是縮短測量距離，便于在理想遠場環(huán)境（暗室）下進行測量。緊縮場天線測量系統(tǒng)能在較小的微波暗室里模擬遠場的平面波電磁環(huán)境，利用常規(guī)的遠場測試設備和方法對天線的輻射性能進行測試。

中區(qū)場法：中區(qū)場（菲涅爾區(qū)）的距離計算方式為0.63

，同樣以30GHz頻段，測量天線直徑為0.2m為例，中區(qū)場的距離只有1.26m，普通的暗室尺寸也能滿足需求，因此可以在系統(tǒng)層面上，研究新的中區(qū)場測量理論與場源重構方法，用中區(qū)場來代替遠場進行OTA測試。

圖3：LTE和毫米波測試系統(tǒng)示意圖

5、國內毫米波終端商用計劃分析

國內有關5G相關的研究和測試正如火如荼地進行，但是相比于歐美，我國在6GHz以下的低頻段尚有較多可用的頻譜資源，包括3.3-3.6 GHz，4.8-5 GHz以及部分重耕的頻譜，因此我國對于毫米波的需求并不是很迫切。從產業(yè)鏈各方的路標來看，國內5G的首發(fā)頻段應該為6GHz以下的低頻段。

目前毫米波相關的研究尚處于起步階段，5G毫米波頻譜劃分還需進一步確定。預計到2020年，才會有正式的5G毫米波終端出現(xiàn)。在5G商用的初期，主要會以6GHz以下低頻基站為主，國內5G毫米波終端的大規(guī)模商用預計還需要較長的一段時間才能實現(xiàn)。

6、結束語

本文介紹了全球毫米波的劃分情況，總結了毫米波終端在技術實現(xiàn)上將會遇到的挑戰(zhàn)及困難，毫米波終端將布置更多的天線形成天線模塊，同時在射頻前端制造工藝上，高頻特性更好的材料將被開發(fā)和應用。最后對毫米波終端OTA測試的情況及毫米波終端商用情況進行了分析。毫米波技術作為5G關鍵技術之一，必將在即將到來的5G時代得以重用，毫米波終端相關的研究和測試工作也將不斷提速，為毫米波的商用奠定基礎。