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详解5G基站大规模MIMO有源天线OTA测试方法

时间:2019-04-22 来源: 关键字:通信   测量   

5G基站天线OTA测试方法研究对5G基站大规模MIMO有源天线OTA测试方法进行了研究。文中分析了5G基站天线一体化OTA测试的必要性,介绍了远场、紧缩场、多探头近场、单探头近场等不同的OTA测试方案,通过实际测试对各个测试方案的优缺点进行了对比分析,指出了当前5G基站天线OTA测试所面临的问题并提出了解决方案。

1、引言

5G移动通信技术能够满足人们对于高速、大容量、高可靠、低时延等快速增长的移动通信业务的需求。而大规模MIMO有源天线技术作为5G移动通信的关键技术之一,它可以通过空间复用大幅度提升频谱利用效率,结合新型编码技术可以大幅度提升通信系统容量和通信速率。因此,大规模MIMO有源天线技术是目前5G移动通信基站所普遍采用的技术,但随之而来的便是5G基站天线如何进行测试的问题。

对于传统基站而言,天线与RRU(Radio Remote Unite,射频拉远单元)是相互分离的,他们之间通过射频线缆连接,相对独立,性能互不影响,其各自的性能可以分别通过独立测试进行检验。天线的辐射性能测试可以在微波暗室通过远场或近场方式完成,无源天线的远场或近场测试均是目前测试天线性能所广泛采用的成熟的测试方法。RRU的射频指标可以在实验室通过传导方式测量。

参考传统基站测试方式,很容易提出把有源天线系统拆分成无源天线阵列和RRU两部分分别进行天线辐射性能测试和射频传导测试的方案。事实上,根据实验室测试经验,“无源天线阵列+功分网络+信号源”所测得的波束赋形方向图与5G基站有源天线一体化OTA(Over the Air,空口辐射)测试的结果并不一致。“RRU+耦合板”的射频性能传导测试结果与一体化OTA测得的射频辐射指标也存在差别。原因在于对于5G基站天线而言,天线与RRU集成在一起,一方面电磁耦合、有源驻波等干扰因素不能完全消除;另一方面,有源天线的校准及幅相加权是通过各个射频通道上的一系列有源器件配合完成的,与无源天线阵列通过无源的功分网络来进行幅相加权的方式差别很大。所以对于采用了大规模MIMO有源天线技术的5G基站而言,一体化OTA测试方式才能有效反映其性能指标。尤其到了毫米波频段,频段更高,设备尺寸更小,电磁干扰问题更加突出,拆分测试将会非常困难,只能采用一体化OTA测试方案。

2017年12月冻结的3GPP 5G新空口协议中已经写入了关于5G基站的所有射频性能指标的OTA测试规范,这意味着5G基站天线一体化OTA测试将会成为5G基站硬件性能测试的主要方案。然而目前射频指标的OTA测试却仍面临着诸多困难。本文深入研究了大规模有源天线系统的OTA测试方法,分别在远场、紧缩场、多探头球面近场、单探头近场等不同场地进行了试验,对各个测试方案的优缺点进行了对比分析,提出了面临的问题和相应的解决方案。

2、5G基站天线OTA测试方案

天线的辐射性能一般在其辐射近场区或远场区以OTA方式进行测试。天线辐射近场、远场的分界为:源天线发射的球面波前到达被测天线中心和边缘的波程差为λ/16。换算为距离上的判断依据为d=2D2/λ,其中,d为探测点与被测天线的距离,D为被测天线的口径,λ为被测天线所发射电磁波波长。

据此, 天线测试分为远场测试和近场测试两大类,而不同的测试方案会导致测试结果的差异。下面介绍几种经典的有源天线OTA测试方案。

(1)远场测试方案

远场测试是最直接的测试方式,在测试距离足够远时,入射波在接收面上近似于平面波。图1所示为远场测试系统,被测件可以在垂直面和水平面内360°旋转,测试探头位置固定,可以极化旋转。该测试系统可以测试5G基站天线的波束赋形方向图和EIRP(Effective Isotropic Radiated Power,有效全向辐射功率)、EVM(Error Vector Magnitude,误差向量幅度)、占用带宽、EIS(EffecTIve Isotropic SensiTIve,有效全向灵敏度)等射频辐射指标。

 

 

(2)紧缩场测试方案

紧缩场测试是一种远场测试方式, 它可以利用反射镜或透镜把位于焦点处的馈源发出的球面波转换为平面波,从而实现有限物理空间内的远场测试。图2 所示是一个抛物面单反射镜紧缩场测试系统,可以测试5G基站天线的波束赋形方向图和EIRP、EVM、占用带宽、ACLR(Adjacent Channel Leakage Power RaTIon,相邻频道泄露功率比)、EIS、ACS(Adjacent Channel SelecTIvity,临道选择性)等射频辐射指标。

 

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