5G大規(guī)模MIMO天線陣列3D OTA測(cè)試

5G將使用多天線技術(shù)，通過結(jié)合增強(qiáng)的空分復(fù)用為多個(gè)用戶提供數(shù)據(jù)，稱為大規(guī)模MIMO。一個(gè)結(jié)論是不能采用傳導(dǎo)方式評(píng)估輻射方向圖性能，因此必需通過OTA方式。本文介紹使用OTA測(cè)試裝置測(cè)量天線三維方向圖的技術(shù)要點(diǎn)。

即將推出的5G標(biāo)準(zhǔn)在獲得更低運(yùn)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(xiàn)的靈活性。其他目標(biāo)包括超可靠低延遲通信(ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC) 和大規(guī)模機(jī)器類型通信(massive Machine Type Communications, mMTC)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network, SDN) 和大規(guī)模MIMO 多天線場(chǎng)景很可能是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)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(tǒng)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。提供更高天線增益的天線陣列可以補(bǔ)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，意味著天線增益要增加30dB。使用大量天線單元并控制能量方向，稱作波束賦形，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

波束賦形技術(shù)通過分配給每個(gè)用戶設(shè)備(UE) 的信號(hào)只瞄準(zhǔn)相應(yīng)的單個(gè)用戶設(shè)備，顯著降低了能量消耗。而沒有使用波束賦形的基站，未被UE 接收的能量可能對(duì)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(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)采用MIMO，通過空分復(fù)用獲得較高容量。多用戶MIMO 技術(shù)使用波束賦形，通過同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到不同的多個(gè)UE，擴(kuò)展了MIMO。術(shù)語大規(guī)模MIMO 根據(jù)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空間復(fù)用的組合。

圖1：大規(guī)模MIMO：波束賦形和空分復(fù)用組合。

大規(guī)模MIMO面臨的挑戰(zhàn)

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

1.前傳接口連接的高吞吐量

2.天線陣列校準(zhǔn)

3.天線單元間的相互耦合

4.不規(guī)則的天線陣列

5.天線陣列復(fù)雜

大規(guī)模MIMO遭遇的挑戰(zhàn)還來自如何去表征信號(hào)，測(cè)量天線陣列功率的要求不曾在傳統(tǒng)使用電纜傳導(dǎo)接口的場(chǎng)合出現(xiàn)過。

有意義的表征只能使用OTA (Over-The-Air) 測(cè)試實(shí)現(xiàn)。主要因?yàn)椋撼杀?、高頻率下進(jìn)行耦合帶來的高插損等原因使得電纜測(cè)試方法不可行;以及大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)將無線收發(fā)器集成到天線中，這導(dǎo)致失去射頻測(cè)試端口。這種模式改變的結(jié)果是什么?

3D OTA測(cè)量

過去，將功率作為時(shí)間、頻譜或編碼(CDMA 系統(tǒng))的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。波束賦形的到來增加了另一個(gè)維度：空間或功率相對(duì)于離開方向。圖2 給出功率測(cè)量示例?？罩袦y(cè)量參數(shù)可以分為兩大類：研發(fā)、認(rèn)證或一致性測(cè)試對(duì)于被測(cè)設(shè)備輻射特性的完整評(píng)估，以及生產(chǎn)中的校準(zhǔn)、驗(yàn)證和功能測(cè)試。

圖2：作為時(shí)間、頻率、編碼和空間的函數(shù)的功率測(cè)量。

天線設(shè)計(jì)者關(guān)心的主要測(cè)試參數(shù)包括增益圖、輻射功率、接收機(jī)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(xiàng)都會(huì)影響OTA測(cè)量。然而，由于大規(guī)模MIMO 使用的頻率，更為關(guān)注波束控制/波束跟蹤。雖然現(xiàn)在的蜂窩技術(shù)使用靜態(tài)波束圖特征，毫米波系統(tǒng)將需要?jiǎng)討B(tài)波束測(cè)量，以便精確表征波束跟蹤算法和波束控制算法。

生產(chǎn)測(cè)試

一致性和生產(chǎn)測(cè)試包括很多方面。

特別重要的有三方面：

• 天線/相對(duì)校準(zhǔn)：為了實(shí)現(xiàn)精確波束賦形，射頻信號(hào)路徑間的相位差必須小于 ±5°?？梢允褂孟辔幌喔山邮諜C(jī)執(zhí)行該測(cè)量，以便測(cè)量所有天線單元間的相對(duì)誤差。

• 5點(diǎn)波束測(cè)試：根據(jù)3GPP 要求，有源天線系統(tǒng)(Active Antenna System, AAS) 制造商要為每個(gè)聲稱的波束規(guī)定波束方向、最大EIRP 和EIRP 門限值。除了最大EIRP 點(diǎn)外，在聲稱的門限值邊界處測(cè)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(cè)試：在生產(chǎn)環(huán)節(jié)完全組裝好的模塊上執(zhí)行，包括簡(jiǎn)單的輻射測(cè)試，5點(diǎn)波束測(cè)試和收發(fā)器聯(lián)合功能測(cè)試，例如所有收發(fā)器打開時(shí)的誤差矢量幅度(EVM)測(cè)量。

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

近場(chǎng)測(cè)量和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量

OTA測(cè)量系統(tǒng)可以根據(jù)取樣輻射場(chǎng)的哪一部分來分類。圖4 給出來自基站天線陣列(工作在2.70GHz 具有均勻激勵(lì)的8個(gè)圓形微帶天線貼片)的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)由Fraunhofer 距離R = 2×D2 /λ 定義，其中D 是最大天線口徑或尺寸。在近場(chǎng)區(qū)，在小于R 的距離處，場(chǎng)強(qiáng)由感應(yīng)分量和輻射分量組成; 而在天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)僅有輻射分量場(chǎng)強(qiáng)。

圖4：來自基站天線陣列的電磁場(chǎng)。

對(duì)于到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的數(shù)學(xué)變換，需要精確測(cè)量包圍被測(cè)設(shè)備三維表面上的相位和幅度，由此產(chǎn)生天線的2 維和3 維增益圖。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)測(cè)量?jī)H需要用幅度計(jì)算天線的波束圖，如果需要也可以在OTA單點(diǎn)處測(cè)量。

對(duì)于小型設(shè)備(取決于波長(zhǎng))，例如用戶設(shè)備，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)條件所需的暗室尺寸由測(cè)量波長(zhǎng)決定。

對(duì)于較大的設(shè)備，例如基站或大規(guī)模MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測(cè)量系統(tǒng)能夠精確地對(duì)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(yuǎn)場(chǎng)區(qū)開展測(cè)量，需要直接測(cè)量平面波幅度，并且這樣的暗室通常相當(dāng)大，暗室大小要綜合考慮被測(cè)設(shè)備尺寸和測(cè)量頻率。

雖然遠(yuǎn)場(chǎng)通常是在離開被測(cè)設(shè)備適當(dāng)距離處測(cè)量，但是可以通過控制電磁場(chǎng)，使得近場(chǎng)暗室可以用于直接測(cè)量平面波幅度。有兩種技術(shù)：

• 緊湊型區(qū)域暗室，最經(jīng)常用于大型被測(cè)設(shè)備，如飛機(jī)和衛(wèi)星;

• 平面波轉(zhuǎn)換器(Plane Wave Converter, PWC)：在被測(cè)設(shè)備處創(chuàng)建平面波，這可以通過天線陣列替代測(cè)量天線實(shí)現(xiàn)。類似于在光學(xué)系統(tǒng)中使用透鏡，天線陣列可以在被測(cè)設(shè)備區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)區(qū)位置生成平面遠(yuǎn)場(chǎng)。

近場(chǎng)測(cè)量

近場(chǎng)區(qū)測(cè)量需要在封閉表面(球形，線形或圓柱形)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(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)幅度。

這種測(cè)量通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，如R&S ZNBT20，一端口接被測(cè)設(shè)備，另一端口接測(cè)量天線。對(duì)于有源天線或大規(guī)模MIMO，通常沒有專用天線端口或射頻端口，因此OTA測(cè)量系統(tǒng)必須能夠獲取相位以便完成到遠(yuǎn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。對(duì)于有源天線系統(tǒng)，有兩種獲取相位的方法：

• 干涉測(cè)量：具有已知相位的第二根天線用作參考。參考信號(hào)與含未知相位的被測(cè)設(shè)備信號(hào)混頻，使用信號(hào)后處理方法，可以獲得被測(cè)設(shè)備信號(hào)的相位，并用于近場(chǎng)到遠(yuǎn)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(cè)量半徑間至少有一個(gè)波長(zhǎng)間隔。也可以使用具有不同天線場(chǎng)特性的兩個(gè)探頭來代替多個(gè)面。

這兩個(gè)探頭需要分開至少半個(gè)波長(zhǎng)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R&S ZNBT20)具有測(cè)量天線單元間耦合的額外優(yōu)勢(shì)。采用多個(gè)接收機(jī)而不是使用開關(guān) — 同時(shí)執(zhí)行測(cè)試減少了測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，并且能更好地執(zhí)行完整的互耦合測(cè)量。

結(jié)論

天線陣列將在未來的無線通信中發(fā)揮重要作用。然而在它們的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)使得完整測(cè)試對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。射頻測(cè)試端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率，使得OTA測(cè)試成為表征不僅大規(guī)模MIMO 陣列，而且內(nèi)部收發(fā)器性能的必要手段。這將會(huì)推動(dòng)OTA暗室和測(cè)量設(shè)備的大量需求，以便滿足測(cè)量天線輻射特性和收發(fā)器性能的嚴(yán)格要求。