讀懂5G基站天線OTA測試方案

讀懂5G基站天線OTA測試方案

肖冰 發表於 2019-09-25 07:59:00

【摘 要】5G基站天線OTA測試方法研究對5G基站大規模MIMO有源天線OTA測試方法進行了研究。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，通過實際測試對各個測試方案的優缺點進行了對比分析，指出了當前5G基站天線OTA測試所面臨的問題並提出了解決方案。

【關鍵詞】5G；基站天線；OTA測試

1、引言

5G移動通信技術能夠滿足人們對於高速、大容量、高可靠、低時延等快速增長的移動通信業務的需求[1-3]。而大規模MIMO有源天線技術[4-6]作為5G移動通信的關鍵技術之一，它可以通過空間復用大幅度提升頻譜利用效率，結合新型編碼技術[7]可以大幅度提升通信系統容量和通信速率。因此，大規模MIMO有源天線技術是目前5G移動通信基站所普遍採用的技術，但隨之而來的便是5G基站天線如何進行測試的問題[8]。

對於傳統基站而言，天線與RRU（Radio Remote Unite，射頻拉遠單元）是相互分離的，他們之間通過射頻線纜連接，相對獨立，性能互不影響，其各自的性能可以分別通過獨立測試進行檢驗。天線的輻射性能測試可以在微波暗室通過遠場或近場方式完成，無源天線的遠場或近場測試均是目前測試天線性能所廣泛採用的成熟的測試方法[9-10]。RRU的射頻指標可以在實驗室通過傳導方式測量。

參考傳統基站測試方式，很容易提出把有源天線系統拆分成無源天線陣列和RRU兩部分分別進行天線輻射性能測試和射頻傳導測試的方案。事實上，根據實驗室測試經驗，「無源天線陣列+功分網絡+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）測試的結果並不一致。「RRU+耦合板」的射頻性能傳導測試結果與一體化OTA測得的射頻輻射指標也存在差別。原因在於對於5G基站天線而言，天線與RRU集成在一起，一方面電磁耦合、有源駐波等幹擾因素不能完全消除；另一方面，有源天線的校準及幅相加權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絡來進行幅相加權的方式差別很大。所以對於採用了大規模MIMO有源天線技術的5G基站而言，一體化OTA測試方式才能有效反映其性能指標。尤其到了毫米波頻段，頻段更高，設備尺寸更小，電磁幹擾問題更加突出，拆分測試將會非常困難，只能採用一體化OTA測試方案。

2017年12月凍結的3GPP 5G新空口協議中已經寫入了關於5G基站的所有射頻性能指標的OTA測試規範，這意味著5G基站天線一體化OTA測試將會成為5G基站硬體性能測試的主要方案。然而目前射頻指標的OTA測試卻仍面臨著諸多困難。本文深入研究了大規模有源天線系統的OTA測試方法，分別在遠場、緊縮場、多探頭球面近場、單探頭近場等不同場地進行了試驗，對各個測試方案的優缺點進行了對比分析，提出了面臨的問題和相應的解決方案。

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或遠場區以OTA方式進行測試。天線輻射近場、遠場的分界為：源天線發射的球面波前到達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為d=2D2/λ，其中，d為探測點與被測天線的距離，D為被測天線的口徑，λ為被測天線所發射電磁波波長。

據此， 天線測試分為遠場測試和近場測試兩大類，而不同的測試方案會導致測試結果的差異。下面介紹幾種經典的有源天線OTA測試方案。

（1）遠場測試方案

遠場測試是最直接的測試方式，在測試距離足夠遠時，入射波在接收面上近似於平面波。圖1所示為遠場測試系統，被測件可以在垂直面和水平面內360°旋轉，測試探頭位置固定，可以極化旋轉。該測試系統可以測試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）、佔用帶寬、EIS（Effective Isotropic Sensitive，有效全向靈敏度）等射頻輻射指標。

圖1、遠場測試系統

（2）緊縮場測試方案

緊縮場測試是一種遠場測試方式， 它可以利用反射鏡或透鏡把位於焦點處的饋源發出的球面波轉換為平面波，從而實現有限物理空間內的遠場測試。圖2 所示是一個拋物面單反射鏡緊縮場測試系統，可以測試5G基站天線的波束賦形方向圖和EIRP、EVM、佔用帶寬、ACLR（Adjacent Channel Leakage Power Ration，相鄰頻道洩露功率比）、EIS、ACS（Adjacent Channel Selectivity，臨道選擇性）等射頻輻射指標。

圖2、單反射鏡緊縮場測試系統

（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採集幅度和相位信息，然後通過近遠場轉換算法將採集數據轉換為遠場方向圖。多探頭球面近場測試系統如圖3所示，在被測件輻射近場內沿圓周上布置大量探頭，被測件僅需旋轉180°即被採集到整個輻射球面的數據。該系統可以測試CW（Continuous Wave，連續波）模式下的5G基站天線的波束賦形方向圖。

圖3、多探頭球面近場測試系統

（4）單探頭近場測試系統

單探頭近場測試比多探頭球面近場測試效率降低，但是其結構更為簡單，所需空間更小。如圖4所示的小型近場測試系統，被測件可以在水平面內旋轉，探頭可以在垂直面內旋轉，系統在兩個轉動軸配合下可以採集到一個輻射球面的數據。該系統可以測試CW模式下的5G基站天線的波束賦形方向圖，也可以測試業務信號模式下的射頻輻射指標，但對測試結果的處理尚需進一步分析。

圖4、單探頭近場測試系統

3、各測試方案優缺點對比

遠場測試的優點是：由於接收天線距離發射天線大於遠場判據，電磁波由發射天線傳播到接收天線時近似於平面波，所採集數據無需近遠場轉換，測試設備可以發射大功率信號，可以測試調製寬帶信號，支持多用戶測試等。缺點是：因為測試距離需大於遠場判據，所以測試場地佔地面積大，建設成本高。以口徑為1 m，工作在3.5 GHz頻段的天線為例，根據遠場判據公式計算得到遠場條件為大於25 m。測試距離越遠，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，由於遠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。

緊縮場測試的優點是： 相比遠場大幅縮減了場地尺寸，從而大大降低了場地建設成本和測量路徑損耗。其測試結果與直接遠場測試最為接近，可以測試CW波和業務信號。得益於路徑損耗的降低，它可以比遠場方案測量更多的射頻輻射指標。缺點是：與遠場測試的缺點類似，3D方向圖的測試效率較低，另外就是反射鏡造價和後期維護成本較高。

多探頭球面近場測試的優點是：佔地面積小，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果與遠場測試結果接近。缺點是：測試系統接收功率上限較低，被測5G基站滿功率發射時，測設接收設備須前置衰減器；測量數據需要後期處理進行近遠場轉換；近遠場轉換需要有參考相位，目前由於參考相位的問題，業務信號模式下的測量結果還不能令人滿意。

單探頭近場測試的優點是：佔用空間很小，暗室建設成本低，轉臺結構簡單，可以便捷地安裝和拆卸被測設備，空間損耗低，CW模式下方向圖測試結果與遠場測試結果較為接近。缺點是：由於結構原因，天線背瓣數據採集不完整；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；採集到的數據需後續進行近遠場轉換。

4、面臨的問題和解決方案

當前的OTA測試方案，無論是遠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。然而關於射頻指標輻射性能的測試，目前遠場方案受限於路徑損耗比較大，只能測試EIRP、EVM、佔用帶寬、EIS等功率水平比較高的參量。對於功率水平特別低的下行射頻指標如ACLR、開關時間模板、雜散發射等，經過遠場比較遠的測試距離後衰減到噪聲水平甚至更小，難以測試。在測上行指標時，輔信號源發出的幹擾信號在經過遠場的路徑衰減後，難以達到ACS、帶內阻塞、共址阻塞等射頻指標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場低得多，但是其在寬帶業務信號模式下取參考相位的方式仍存在問題，射頻輻射測試結果與期望值仍有不小的差距。

由於實驗室研發測試階段需要測試驗證的指標比較全面，對於該類測試應該採用緊縮場或降損耗的遠場測試方法。通過在一定範圍內縮短遠場測試距離、增大喇叭天線增益、使用低損耗射頻線纜並縮短射頻線布線距離，可以大幅降低路徑損耗，使得遠場方案能夠擴展測試ACLR、ACS等射頻指標。而緊縮場本身的路徑損耗就比遠場小得多，能比遠場測量更多的射頻指標。但仍有一些射頻指標由於本身功率就特別低，怎樣縮減路徑損耗都是不夠的，現階段只能通過傳導方式來測試。而對於產線測試，要求測試成本低、效率高、佔用空間小，能夠測試典型指標，單探頭近場測試方案就比較適合。至於未來的5G高頻段的測試，由於頻率更高，損耗更嚴重，遠場測試將變得不太適合，傳導測試更加困難，需要採用近場測試和感應近場測試相結合的方案，而近遠場轉換算法需要參考信號，這就需要設備廠商與測量儀表廠商配合解決從設備取參考信號的問題。

5、結束語

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

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