5G大規模MIMO天線(xiàn)陣列3D OTA測試

5G將使用多天線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)結合增強的空分復用為多個(gè)用戶(hù)提供數據，稱(chēng)為大規模MIMO。一個(gè)結論是不能采用傳導方式評估輻射方向圖性能，因此必需通過(guò)OTA方式。本文介紹使用OTA測試裝置測量天線(xiàn)三維方向圖的技術(shù)要點(diǎn)。

即將推出的5G標準在獲得更低運營(yíng)成本(OPerational EXpenses, OPEX) 的同時(shí)確保更高的吞吐率、更多的容量和實(shí)現的靈活性。其他目標包括超可靠低延遲通信(ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC) 和大規模機器類(lèi)型通信(massive Machine Type Communications, mMTC)。軟件定義網(wǎng)絡(luò )(Software Defined Network, SDN) 和大規模MIMO 多天線(xiàn)場(chǎng)景很可能是實(shí)現這些目標的技術(shù)選擇。

為了獲得更高的吞吐率必須有更寬的帶寬支撐，5G 系統將使用厘米波和毫米波范圍的頻率。這種方案的一個(gè)缺點(diǎn)是自由空間路徑損耗將更大。提供更高天線(xiàn)增益的天線(xiàn)陣列可以補償自由空間路徑損耗。與900MHz 相比，為了在28GHz 頻率上保持相同的接收功率，意味著(zhù)天線(xiàn)增益要增加30dB。使用大量天線(xiàn)單元并控制能量方向，稱(chēng)作波束賦形，可以實(shí)現這個(gè)目標。

波束賦形技術(shù)通過(guò)分配給每個(gè)用戶(hù)設備(UE) 的信號只瞄準相應的單個(gè)用戶(hù)設備，顯著(zhù)降低了能量消耗。而沒(méi)有使用波束賦形的基站，未被UE 接收的能量可能對相鄰的多個(gè)UE 產(chǎn)生干擾，或者被直接丟棄。

諸如LTE 或WLAN 等的當前標準采用MIMO，通過(guò)空分復用獲得較高容量。多用戶(hù)MIMO 技術(shù)使用波束賦形，通過(guò)同時(shí)發(fā)送數據到不同的多個(gè)UE，擴展了MIMO。術(shù)語(yǔ)大規模MIMO 根據硬件配置和信道條件，以動(dòng)態(tài)方式描述波束賦形和多天線(xiàn)空間復用的組合。

圖1：大規模MIMO：波束賦形和空分復用組合。

大規模MIMO面臨的挑戰

雖然大規模MIMO具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些挑戰，包括：

1.前傳接口連接的高吞吐量

2.天線(xiàn)陣列校準

3.天線(xiàn)單元間的相互耦合

4.不規則的天線(xiàn)陣列

5.天線(xiàn)陣列復雜

大規模MIMO遭遇的挑戰還來(lái)自如何去表征信號，測量天線(xiàn)陣列功率的要求不曾在傳統使用電纜傳導接口的場(chǎng)合出現過(guò)。

有意義的表征只能使用OTA (Over-The-Air) 測試實(shí)現。主要因為：成本、高頻率下進(jìn)行耦合帶來(lái)的高插損等原因使得電纜測試方法不可行;以及大規模MIMO 系統將無(wú)線(xiàn)收發(fā)器集成到天線(xiàn)中，這導致失去射頻測試端口。這種模式改變的結果是什么?

3D OTA測量

過(guò)去，將功率作為時(shí)間、頻譜或編碼(CDMA 系統)的函數進(jìn)行測量。波束賦形的到來(lái)增加了另一個(gè)維度：空間或功率相對于離開(kāi)方向。圖2 給出功率測量示例?？罩袦y量參數可以分為兩大類(lèi)：研發(fā)、認證或一致性測試對于被測設備輻射特性的完整評估，以及生產(chǎn)中的校準、驗證和功能測試。

圖2：作為時(shí)間、頻率、編碼和空間的函數的功率測量。

天線(xiàn)設計者關(guān)心的主要測試參數包括增益圖、輻射功率、接收機靈敏度、收發(fā)器/接收器特征和波束控制/波束跟蹤，其中任何每一項都會(huì )影響OTA測量。然而，由于大規模MIMO 使用的頻率，更為關(guān)注波束控制/波束跟蹤。雖然現在的蜂窩技術(shù)使用靜態(tài)波束圖特征，毫米波系統將需要動(dòng)態(tài)波束測量，以便精確表征波束跟蹤算法和波束控制算法。

生產(chǎn)測試

一致性和生產(chǎn)測試包括很多方面。

特別重要的有三方面：

• 天線(xiàn)/相對校準：為了實(shí)現精確波束賦形，射頻信號路徑間的相位差必須小于 ±5°?？梢允褂孟辔幌喔山邮諜C執行該測量，以便測量所有天線(xiàn)單元間的相對誤差。

• 5點(diǎn)波束測試：根據3GPP 要求，有源天線(xiàn)系統(Active Antenna System, AAS) 制造商要為每個(gè)聲稱(chēng)的波束規定波束方向、最大EIRP 和EIRP 門(mén)限值。除了最大EIRP 點(diǎn)外，在聲稱(chēng)的門(mén)限值邊界處測量四個(gè)附加點(diǎn)，即，具有最大EIRP 的中心點(diǎn)，以及公布的左邊、右邊、頂部和底部邊界的其余4 個(gè)點(diǎn)，如圖3 所示。

• 最終的功能測試：在生產(chǎn)環(huán)節完全組裝好的模塊上執行，包括簡(jiǎn)單的輻射測試，5點(diǎn)波束測試和收發(fā)器聯(lián)合功能測試，例如所有收發(fā)器打開(kāi)時(shí)的誤差矢量幅度(EVM)測量。

圖3：基于制造商公布的5 個(gè)測量點(diǎn)的5點(diǎn)測試。

近場(chǎng)測量和遠場(chǎng)測量

OTA測量系統可以根據取樣輻射場(chǎng)的哪一部分來(lái)分類(lèi)。圖4 給出來(lái)自基站天線(xiàn)陣列(工作在2.70GHz 具有均勻激勵的8個(gè)圓形微帶天線(xiàn)貼片)的近場(chǎng)和遠場(chǎng)。近場(chǎng)區和遠場(chǎng)區由Fraunhofer 距離R = 2×D2 /λ 定義，其中D 是最大天線(xiàn)口徑或尺寸。在近場(chǎng)區，在小于R 的距離處，場(chǎng)強由感應分量和輻射分量組成; 而在天線(xiàn)的遠場(chǎng)區僅有輻射分量場(chǎng)強。

圖4：來(lái)自基站天線(xiàn)陣列的電磁場(chǎng)。

對于到遠場(chǎng)區的數學(xué)變換，需要精確測量包圍被測設備三維表面上的相位和幅度，由此產(chǎn)生天線(xiàn)的2 維和3 維增益圖。遠場(chǎng)區測量?jì)H需要用幅度計算天線(xiàn)的波束圖，如果需要也可以在OTA單點(diǎn)處測量。

對于小型設備(取決于波長(cháng))，例如用戶(hù)設備，對于遠場(chǎng)條件所需的暗室尺寸由測量波長(cháng)決定。

對于較大的設備，例如基站或大規模MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測量系統能夠精確地對整個(gè)封閉表面上的電磁場(chǎng)的相位和幅度進(jìn)行采樣，則暗室尺寸可以大大減小。

在遠場(chǎng)區開(kāi)展測量，需要直接測量平面波幅度，并且這樣的暗室通常相當大，暗室大小要綜合考慮被測設備尺寸和測量頻率。

雖然遠場(chǎng)通常是在離開(kāi)被測設備適當距離處測量，但是可以通過(guò)控制電磁場(chǎng)，使得近場(chǎng)暗室可以用于直接測量平面波幅度。有兩種技術(shù)：

• 緊湊型區域暗室，最經(jīng)常用于大型被測設備，如飛機和衛星;

• 平面波轉換器(Plane Wave Converter, PWC)：在被測設備處創(chuàng )建平面波，這可以通過(guò)天線(xiàn)陣列替代測量天線(xiàn)實(shí)現。類(lèi)似于在光學(xué)系統中使用透鏡，天線(xiàn)陣列可以在被測設備區域內的目標區位置生成平面遠場(chǎng)。

近場(chǎng)測量

近場(chǎng)區測量需要在封閉表面(球形，線(xiàn)形或圓柱形)上采樣得到的場(chǎng)相位和幅度，以便使用傅立葉頻譜變換計算遠場(chǎng)幅度。

這種測量通常使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，如RS ZNBT20，一端口接被測設備，另一端口接測量天線(xiàn)。對于有源天線(xiàn)或大規模MIMO，通常沒(méi)有專(zhuān)用天線(xiàn)端口或射頻端口，因此OTA測量系統必須能夠獲取相位以便完成到遠場(chǎng)的轉換。對于有源天線(xiàn)系統，有兩種獲取相位的方法：

• 干涉測量：具有已知相位的第二根天線(xiàn)用作參考。參考信號與含未知相位的被測設備信號混頻，使用信號后處理方法，可以獲得被測設備信號的相位，并用于近場(chǎng)到遠場(chǎng)的變換。

• 多個(gè)面或探頭：第二個(gè)面用作相位參考，在兩個(gè)測量半徑間至少有一個(gè)波長(cháng)間隔。也可以使用具有不同天線(xiàn)場(chǎng)特性的兩個(gè)探頭來(lái)代替多個(gè)面。

這兩個(gè)探頭需要分開(kāi)至少半個(gè)波長(cháng)以盡量減小相互耦合。

如果選擇使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)，真正的多端口VNA(如RS ZNBT20)具有測量天線(xiàn)單元間耦合的額外優(yōu)勢。采用多個(gè)接收機而不是使用開(kāi)關(guān) — 同時(shí)執行測試減少了測試時(shí)長(cháng)，并且能更好地執行完整的互耦合測量。

結論

天線(xiàn)陣列將在未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信中發(fā)揮重要作用。然而在它們的研發(fā)、設計和生產(chǎn)中遇到的挑戰使得完整測試對于實(shí)現最佳性能至關(guān)重要。射頻測試端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率，使得OTA測試成為表征不僅大規模MIMO 陣列，而且內部收發(fā)器性能的必要手段。這將會(huì )推動(dòng)OTA暗室和測量設備的大量需求，以便滿(mǎn)足測量天線(xiàn)輻射特性和收發(fā)器性能的嚴格要求。