適用于5GOTA射頻測試的動(dòng)態(tài)賦形緊縮場研究及其應(yīng)用

適用于5GOTA射頻測試的動(dòng)態(tài)賦形緊縮場研究及其應(yīng)用

摘要：由于5G引入大規(guī)模天線MassiveMIMO和毫米波技術(shù)，4G時(shí)期采用傳導(dǎo)測試的方式已經(jīng)無法滿足5G基站測試需要，因此5G基站射頻指標(biāo)測試轉(zhuǎn)向采用OTA空口測試方法。本文在分析大型緊縮場測試方法的基礎(chǔ)上，介紹了一種能夠支持Sub6GHz5G基站測試的小型化、低成本的新方法，即動(dòng)態(tài)賦形緊縮場的測試方法。通過從原理到實(shí)際驗(yàn)證的闡述，說明該方法能夠滿足3GPP規(guī)范要求的全部5G基站射頻指標(biāo)測試，能夠大幅降低場地要求和構(gòu)建成本，顯著提升測試效率，為5G基站測試提供一種全新的測試解決方案。該方案已經(jīng)在3GPPRAN4#90B會(huì)議上一致通過，并將寫入TR37.843測試規(guī)范中。關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)賦形緊縮場，平面波，射頻指標(biāo)，OTA，5G1引言近期，工業(yè)和信息化部頒發(fā)了5G牌照，標(biāo)志著中國進(jìn)入5G商用階段，即將開展大規(guī)模5G網(wǎng)絡(luò)部署。由于5G引入大規(guī)模天線MassiveMIMO技術(shù)，Sub6GHz頻段的5G基站天線射頻通道數(shù)為64個(gè)，天線陣子數(shù)更是上升到192天線。天線之間采用聯(lián)合波束賦形算法，使得傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測試不能完全測量出基站的實(shí)際使用性能，所以只能采用空口OTA測試方式?？湛贠TA測試是在基站處于安裝完整的狀態(tài)下進(jìn)行測試，不對基站有任何的修改或拆解，更能從整機(jī)的角度考察基站指標(biāo)。OTA測試方法主要有直接遠(yuǎn)場（DirectFarfield）、近場遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換（NF2FF）和緊縮場（CompactAntennaTestRange）三大類。第一類為直接遠(yuǎn)場方法，以3.5GHz頻段5G基站測試要求為例，遠(yuǎn)場條件2D2/λ，以現(xiàn)有基站尺寸1m×1m計(jì)算，其遠(yuǎn)場條件至少為46.6m，暗室的長、寬、高一般需要70m×35m×35m以上的完整空間，對建筑物和場地要求極高，投資成本高昂；第二類為近場遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法，大多適用于無源天線測試，還不能滿足5G基站有源相控陣天線的測試；第三類是緊縮場方法，目前被廣泛應(yīng)用于基站測試，緊縮場暗室的長、寬、高一般需要10m×5m×5m以上，其反射面的重量約為1～2噸，對建筑物高度、場地條件、地面承重也有較高的要求，建造周期一般為6～12個(gè)月，需要恒溫、恒濕條件，綜合造價(jià)至少在千萬元以上級別。上述方案均存在場地要求高、成本造價(jià)高、建設(shè)難度大、運(yùn)行測試效率低等問題。本文闡述了一種適用于基站和一般通用天線的測試系統(tǒng)，即動(dòng)態(tài)賦形緊縮場（DynamicBeamformingCompactRange，DBCR），并對其進(jìn)行理論分析，說明測試區(qū)域的頻段和靜區(qū)性能動(dòng)態(tài)調(diào)整方式，以及系統(tǒng)驗(yàn)證方法和測試前的校準(zhǔn)方法。在介紹動(dòng)態(tài)賦形緊縮場的適用范圍、靜區(qū)仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出系統(tǒng)的不確定度。2018年，5G推進(jìn)組組織開展的5G研發(fā)技術(shù)試驗(yàn)中，針對3.5GHz頻段的基站射頻指標(biāo)測試已采用本文介紹的動(dòng)態(tài)賦形緊縮場OTA測試系統(tǒng)。2平面波生成理論動(dòng)態(tài)賦形緊縮場的理論基礎(chǔ)是平面波的產(chǎn)生（PlaneWaveGenerate），平面波產(chǎn)生由N個(gè)元素的天線陣列排布組成，調(diào)整天線陣列中每個(gè)陣子的幅度和相位權(quán)值ω，經(jīng)過計(jì)算和優(yōu)化，可在離天線陣距離為d的平面區(qū)域內(nèi)，擬合出平面波。該平面波區(qū)域內(nèi)幅度近似一致，相位近似相等。如圖1所示，在xz平面上，存在著N個(gè)天線組成天線陣列，為m行n列，距離其d平面區(qū)域內(nèi)形成測量靜區(qū)，其區(qū)域內(nèi)幅度相同，相位相等。圖1平面波生成原理在距離d的平面上，其每個(gè)點(diǎn)的電場強(qiáng)度可由陣子天線發(fā)射的初始幅度相位表示。假設(shè)每個(gè)陣子天線為標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線單元，極化延z軸，則平面內(nèi)的電場Ez可表示為：其中，xm、zm為靜區(qū)d的坐標(biāo)。這個(gè)公式的目標(biāo)是找到每一個(gè)天線陣子n的權(quán)重ωn，使其最終得到的Ez幅度相同，相位相等。在做權(quán)重ωn的計(jì)算時(shí)，可以選擇各種優(yōu)化方法，如矩陣求逆、凸優(yōu)化、遺傳算法、最小二乘法等。3動(dòng)態(tài)賦形緊縮場測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)賦形緊縮場測試系統(tǒng)包括微波暗室、轉(zhuǎn)臺(tái)及DBCR設(shè)備。DBCR包括幅度相位調(diào)整單元、天線、機(jī)械安裝部分，在需要時(shí)可增加功率放大器。測試及校準(zhǔn)儀表被放置在微波暗室的外面，通過光纖傳遞數(shù)據(jù)。由網(wǎng)線傳遞數(shù)據(jù)必須通過濾波器，否則會(huì)破壞微波暗室的屏蔽性能。DBCR的天線陣列放置在暗室的內(nèi)部，轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在設(shè)計(jì)的靜區(qū)內(nèi)，且靜區(qū)的中心到DBCR天線陣面的距離R需要根據(jù)算法設(shè)定，以保證被測物在整個(gè)測試過程中，均處于靜區(qū)之中（見圖2）。動(dòng)態(tài)賦形緊縮場的工作帶寬受限于調(diào)相網(wǎng)絡(luò)的工作頻段，目前DBCR的測試系統(tǒng)可完整支持從2G～6G的全頻段測試，測試過程中更換頻段完全由軟件控制，只需更改置入DBCR中的幅相數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)測試頻段的轉(zhuǎn)換。圖2動(dòng)態(tài)賦形緊縮場系統(tǒng)連接圖動(dòng)態(tài)賦形緊縮場可以在設(shè)定的區(qū)域內(nèi)生成平面波，以供測試使用。其大致結(jié)構(gòu)包括天線陣列、支架、調(diào)幅調(diào)相網(wǎng)絡(luò)、控制器等，其造價(jià)成本約為緊縮場的1/3，場地尺寸與緊縮場大致相當(dāng)。假定測試基站所需為1m×1m的靜區(qū)，靜區(qū)可設(shè)計(jì)成球形、立方體或圓柱體，最終建造的屏蔽室約為5m×3.5m×3.5m。在設(shè)定的距離內(nèi)，將被測設(shè)備掛置在轉(zhuǎn)臺(tái)上。DBCR與緊縮場的差別在于，DBCR設(shè)備重量隨不同尺寸變化不大，用于基站測試的DBCR設(shè)備只有200kg左右，可以方便地部署于建筑物的各個(gè)位置。只要暗室條件滿足樓體承重，DBCR測試系統(tǒng)就可以配置。而緊縮場需要事先鋪設(shè)好用于擺放反射面和饋源的地面，以防止地面沉降或變形對反射面形成平面波造成惡劣影響。緊縮場的頻段根據(jù)不同的饋源而調(diào)整，在使用過程中需要更換不同型號的饋源。3.1DBCR的場地驗(yàn)證場地驗(yàn)證的過程目的是為了補(bǔ)償天線和調(diào)相網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)通道的幅度相位差，只有補(bǔ)償精確之后才可以置入計(jì)算好的幅度相位數(shù)值；否則置入的數(shù)據(jù)帶有硬件帶來的固定幅度相位差，將會(huì)引起不可預(yù)料的問題。動(dòng)態(tài)賦形緊縮場的靜區(qū)場地驗(yàn)證可由掃描架帶探頭進(jìn)行靜區(qū)場地測試，具體參見圖3。使用的探頭可以是矩形開口波導(dǎo)或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線。幅度相位補(bǔ)償?shù)姆椒蓞⒖枷嗫仃囂炀€的校準(zhǔn)方法，使用如傳導(dǎo)法、旋轉(zhuǎn)矢量法等方式進(jìn)行幅度相位的校準(zhǔn)和補(bǔ)償。圖3DBCR場地驗(yàn)證在進(jìn)行完幅度相位補(bǔ)償之后，置入仿真的數(shù)值，以形成靜區(qū)QuietZone，靜區(qū)之內(nèi)的平面波使用平面掃描架對幅度和相位進(jìn)行掃描，掃描間隔需小于1/8波長。從掃描后的靜區(qū)數(shù)據(jù)可以看出，在設(shè)定的靜區(qū)內(nèi)形成了幅度大致相同，相位近乎相等的平面波區(qū)域，在該區(qū)域中進(jìn)行天線測試可以保證測試出的方向圖不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)或方向圖偏差。值得注意的是，靜區(qū)測試的時(shí)候需要對掃描架的平面度進(jìn)行補(bǔ)償，否則相位測量會(huì)受到影響，并且還要考慮到儀表的溫漂和幅度相位不確定度，掃描架本身的抖動(dòng)也是需要考慮的因素之一?？紤]到這些所有因素后，要在測試前修正，或測試結(jié)果上進(jìn)行加權(quán)補(bǔ)償。補(bǔ)償后的結(jié)果才是靜區(qū)最終測試結(jié)果。一般來說，緊縮場只對靜區(qū)中心十字線進(jìn)行靜區(qū)掃描，本文使用掃描架對整個(gè)靜區(qū)平面進(jìn)行掃描，更能看出整個(gè)靜區(qū)的平面度、錐削和波動(dòng)。從圖4可以看出，靜區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了良好的幅度近似相同，相位近似相同的平面波區(qū)域，其3.5GHz頻段的測試結(jié)果可達(dá)到幅度峰峰值波動(dòng)pp＜±0.5dB，相位pp＜±5°，完全符合基站測試的要求。其他頻段經(jīng)測試也滿足要求，全工作頻段為2GHz～6GHz。圖4DBCR緊縮場靜區(qū)測試三維圖3.2DBCR的路徑損耗校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)賦形緊縮場的幅度校準(zhǔn)與其他測試沒有本質(zhì)區(qū)別，使用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭或帶有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的天線系統(tǒng)增益測試（見圖5）。首先，將標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，朝向DBCR陣面，與其法線方向平行；然后，將DBCR置入幅度相位數(shù)據(jù)，使其工作在平面波模式。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量此時(shí)的S21或使用信號源和頻譜儀，測量從標(biāo)準(zhǔn)增益天線端口到接收機(jī)之間的路徑損耗，即A→C之間的路徑損耗。圖5DBCR增益校準(zhǔn)過程示意圖3.3DBCR的DUT測試在設(shè)定好的測試距離中心，將被測設(shè)備掛置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，以保證整個(gè)測試過程當(dāng)中，被測物均處于靜區(qū)內(nèi)。測試時(shí)使用轉(zhuǎn)臺(tái)對DUT旋轉(zhuǎn)測試，整個(gè)測試過程中，DBCR測試系統(tǒng)的調(diào)幅調(diào)相數(shù)據(jù)不需要改變，可完整支持至少200MHz帶寬的測試，即在200MHz帶寬內(nèi)均為平面波，可以對帶內(nèi)和帶外EIRP、EIS、TRP、ACLR、雜散、EVM等射頻指標(biāo)測試項(xiàng)進(jìn)行測試。在需要更換頻帶時(shí)，只需更換調(diào)相網(wǎng)絡(luò)的置入數(shù)據(jù)，可在秒級時(shí)間內(nèi)完成測試頻段的擴(kuò)展。在表1和表2描述的3GPP測試項(xiàng)目中，可以看到DBCR對整個(gè)上行和下行的測試絕大部分都支持，僅個(gè)別需要低頻測試的項(xiàng)目表示不支持（見圖6）。表1輻射發(fā)射測試項(xiàng)輻射接收測試項(xiàng)評價(jià)方法DBCR支持情況OTASensitivityEIS支持OutReferenceSensitivityLevelEISReference支持OTADynamicRangeThroughput支持EISRefsens支持OTAin-bandSelectivityandBlockingThroughput支持Throughput支持OTAout-of-bandBlockingEIS支持OTAReceiverSpuriousEmissionsTIS低頻受限OTAReceiverIntermodulationEISRefsens低頻受限表2輻射接收測試項(xiàng)輻射發(fā)射測試項(xiàng)評價(jià)方法DBCR支持情況RadiatedTransmitPowerEIRP支持OutBaseStationOutputPowerTRP支持OTAOutputPowerDynamicsOTAREPowerControlDynamicRange支持OTATotalPowerDynamicRange支持OTATransmitON/OFFPowerTransmitterOFFPower支持OTATransientPeriod支持OTATransmittedSignalQualityOTAFrequencyError支持OTAModulationQuality支持OTATimeAlignmentError支持OTAUnwantedEmissionsOTAOccupiedBandwidth支持OTAAdjacentChannelLeakagePowerRatio（ACLR）支持OTATransmitterSpuriousEmissions低頻受限OTATransmitterIntermodulationTRP低頻受限圖6DBCR系統(tǒng)基站測試示意圖測試時(shí)可將DBCR安裝在一側(cè)墻壁內(nèi)，因其重量較輕，且整個(gè)面不易變形，在底部裝有軌道的情況下，測試完成后可將DBCR陣面移出屏蔽室，不會(huì)影響屏蔽室的使用。圖7所展示的是某陣列天線的測試對比圖。測試結(jié)果表明，DBCR在對天線增益方向圖指標(biāo)測試與CATR緊縮場基本無差別，主波束功率和零深位置均能完整對齊。方向圖和增益指標(biāo)測試正確，意味著絕大部分發(fā)射和接收的測試項(xiàng)目與CATR測試無差別。圖7DBCR與CATR緊縮場某基站方向圖測試對比4DBCR的應(yīng)用前景基于上述動(dòng)態(tài)賦形緊縮場的理論分析和系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)論，DBCR測試方法獲得業(yè)界的高度重視和認(rèn)可，已經(jīng)在3GPPRAN4#90B會(huì)議上一致通過，并將寫入TR37.843測試規(guī)范中。鑒于我國5G商用網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模巨大、產(chǎn)品要求高、供貨強(qiáng)度大，提升設(shè)備研發(fā)測試和量產(chǎn)測試的效率，縮短備貨供貨周期，對廠商和運(yùn)營商都至關(guān)重要。動(dòng)態(tài)賦形緊縮場技術(shù)，可在單層建筑高度、普通建筑物承載標(biāo)準(zhǔn)、較小占地面積的條件下，不額外增加基建要求，實(shí)現(xiàn)對Sub6GHz基站帶內(nèi)和帶外指標(biāo)的測試能力，擁有與大型緊縮場可比的靜區(qū)指標(biāo)和測試性能，全面滿足3GPP規(guī)范要求，且可縮短建設(shè)周期和大幅提升測試效率，為全球5G基站射頻OTA測試提供了最佳解決方案，并將為全球5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：[1]3GPPTS38.141-2V1.0.0（2018-09）.BaseStation（BS）conformancetestingPart2:radiatedconformancetesting（Release15）[R].3GPP,2018.[2]XieR,WangX,WangR,etal.Amethodforreducingexcitationcomplexityofplane-wavegeneration[C]//Computing&ElectromagneticsInternationalWorkshop.IEEE,2017.[3]BuonannoA,D'UrsoM,PriscoG.Reducingcomplexityinindoorarraytesting[J].IEEETransactionsonAntennas&Propagation,2010,58（8）:2781-2784.[4]D'UrsoM,PriscoG,CicolaniM.Synthesisofplane-wavegeneratorsvianonredundantsparsearrays[J].IEEEAntennas&WirelessPropagationLetters,2009,8（4）:449-452.[5]BucciOM,MiglioreMD,PanarielloG,etal.Plane-wavegenerators:Designguidelines