詳解5G基站大規(guī)模MIMO有源天線OTA測試方法

5G基站天線OTA測試方法研究對5G基站大規(guī)模MIMO有源天線OTA測試方法進(jìn)行了研究。文中分析了5G基站天線一體化OTA測試的必要性，介紹了遠(yuǎn)場、緊縮場、多探頭近場、單探頭近場等不同的OTA測試方案，通過實(shí)際測試對各個測試方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，指出了當(dāng)前5G基站天線OTA測試所面臨的問題并提出了解決方案。

1、引言

5G移動通信技術(shù)能夠滿足人們對于高速、大容量、高可靠、低時延等快速增長的移動通信業(yè)務(wù)的需求。而大規(guī)模MIMO有源天線技術(shù)作為5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以通過空間復(fù)用大幅度提升頻譜利用效率，結(jié)合新型編碼技術(shù)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有源天線技術(shù)是目前5G移動通信基站所普遍采用的技術(shù)，但隨之而來的便是5G基站天線如何進(jìn)行測試的問題。

對于傳統(tǒng)基站而言，天線與RRU（Radio Remote Unite，射頻拉遠(yuǎn)單元）是相互分離的，他們之間通過射頻線纜連接，相對獨(dú)立，性能互不影響，其各自的性能可以分別通過獨(dú)立測試進(jìn)行檢驗(yàn)。天線的輻射性能測試可以在微波暗室通過遠(yuǎn)場或近場方式完成，無源天線的遠(yuǎn)場或近場測試均是目前測試天線性能所廣泛采用的成熟的測試方法。RRU的射頻指標(biāo)可以在實(shí)驗(yàn)室通過傳導(dǎo)方式測量。

參考傳統(tǒng)基站測試方式，很容易提出把有源天線系統(tǒng)拆分成無源天線陣列和RRU兩部分分別進(jìn)行天線輻射性能測試和射頻傳導(dǎo)測試的方案。事實(shí)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試經(jīng)驗(yàn)，“無源天線陣列+功分網(wǎng)絡(luò)+信號源”所測得的波束賦形方向圖與5G基站有源天線一體化OTA（Over the Air，空口輻射）測試的結(jié)果并不一致?！癛RU+耦合板”的射頻性能傳導(dǎo)測試結(jié)果與一體化OTA測得的射頻輻射指標(biāo)也存在差別。原因在于對于5G基站天線而言，天線與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，有源天線的校準(zhǔn)及幅相加權(quán)是通過各個射頻通道上的一系列有源器件配合完成的，與無源天線陣列通過無源的功分網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行幅相加權(quán)的方式差別很大。所以對于采用了大規(guī)模MIMO有源天線技術(shù)的5G基站而言，一體化OTA測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，電磁干擾問題更加突出，拆分測試將會非常困難，只能采用一體化OTA測試方案。

2017年12月凍結(jié)的3GPP 5G新空口協(xié)議中已經(jīng)寫入了關(guān)于5G基站的所有射頻性能指標(biāo)的OTA測試規(guī)范，這意味著5G基站天線一體化OTA測試將會成為5G基站硬件性能測試的主要方案。然而目前射頻指標(biāo)的OTA測試卻仍面臨著諸多困難。本文深入研究了大規(guī)模有源天線系統(tǒng)的OTA測試方法，分別在遠(yuǎn)場、緊縮場、多探頭球面近場、單探頭近場等不同場地進(jìn)行了試驗(yàn)，對各個測試方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，提出了面臨的問題和相應(yīng)的解決方案。

2、5G基站天線OTA測試方案

天線的輻射性能一般在其輻射近場區(qū)或遠(yuǎn)場區(qū)以O(shè)TA方式進(jìn)行測試。天線輻射近場、遠(yuǎn)場的分界為：源天線發(fā)射的球面波前到達(dá)被測天線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為探測點(diǎn)與被測天線的距離，D為被測天線的口徑，λ為被測天線所發(fā)射電磁波波長。

據(jù)此， 天線測試分為遠(yuǎn)場測試和近場測試兩大類，而不同的測試方案會導(dǎo)致測試結(jié)果的差異。下面介紹幾種經(jīng)典的有源天線OTA測試方案。

（1）遠(yuǎn)場測試方案

遠(yuǎn)場測試是最直接的測試方式，在測試距離足夠遠(yuǎn)時，入射波在接收面上近似于平面波。圖1所示為遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)，被測件可以在垂直面和水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，測試探頭位置固定，可以極化旋轉(zhuǎn)。該測試系統(tǒng)可以測試5G基站天線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)。

（2）緊縮場測試方案

緊縮場測試是一種遠(yuǎn)場測試方式， 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)場測試。圖2 所示是一個拋物面單反射鏡緊縮場測試系統(tǒng)，可以測試5G基站天線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)。

（3）多探頭球面近場測試方案

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

（4）單探頭近場測試系統(tǒng)

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

3、各測試方案優(yōu)缺點(diǎn)對比

遠(yuǎn)場測試的優(yōu)點(diǎn)是：由于接收天線距離發(fā)射天線大于遠(yuǎn)場判據(jù)，電磁波由發(fā)射天線傳播到接收天線時近似于平面波，所采集數(shù)據(jù)無需近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換，測試設(shè)備可以發(fā)射大功率信號，可以測試調(diào)制寬帶信號，支持多用戶測試等。缺點(diǎn)是：因?yàn)闇y試距離需大于遠(yuǎn)場判據(jù)，所以測試場地占地面積大，建設(shè)成本高。以口徑為1 m，工作在3.5 GHz頻段的天線為例，根據(jù)遠(yuǎn)場判據(jù)公式計算得到遠(yuǎn)場條件為大于25 m。測試距離越遠(yuǎn)，電磁波輻射越接近平面波，但同時會帶來空間損耗太大的問題。另外，由于遠(yuǎn)場測試一般只有一個探頭，所以單次測試只能畫出天線輻射球面的一個切面，如果想要得到整個輻射球面的3D方向圖，需要在不同的切面上多次測量，測試時間和測試成本大幅增加。

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

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

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

4、面臨的問題和解決方案

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

由于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測試階段需要測試驗(yàn)證的指標(biāo)比較全面，對于該類測試應(yīng)該采用緊縮場或降損耗的遠(yuǎn)場測試方法。通過在一定范圍內(nèi)縮短遠(yuǎn)場測試距離、增大喇叭天線增益、使用低損耗射頻線纜并縮短射頻線布線距離，可以大幅降低路徑損耗，使得遠(yuǎn)場方案能夠擴(kuò)展測試ACLR、ACS等射頻指標(biāo)。而緊縮場本身的路徑損耗就比遠(yuǎn)場小得多，能比遠(yuǎn)場測量更多的射頻指標(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)階段只能通過傳導(dǎo)方式來測試。而對于產(chǎn)線測試，要求測試成本低、效率高、占用空間小，能夠測試典型指標(biāo)，單探頭近場測試方案就比較適合。至于未來的5G高頻段的測試，由于頻率更高，損耗更嚴(yán)重，遠(yuǎn)場測試將變得不太適合，傳導(dǎo)測試更加困難，需要采用近場測試和感應(yīng)近場測試相結(jié)合的方案，而近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換算法需要參考信號，這就需要設(shè)備廠商與測量儀表廠商配合解決從設(shè)備取參考信號的問題。

5、結(jié)束語

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