5G射頻室內測試的關鍵技術

0 引言

從20世紀80年代第一代（1G）移動通訊開始到今天的4G，移動通訊及其衍生技術極大地改變了人類的物質和精神生活。從話音通訊到數據通訊，特別是移動互聯網和物聯網的快速發展，預計2010年到2020年，全球移動數據流量增加將超過200倍，我國將超過300倍，移動通訊技術天然也會出現新的演進。目前，5G已經成爲全球的研發焦點，國際電信聯盟（ITU）、第三代國際計劃（3GPP）和電子電氣工程師協會（IEEE）都已牽頭開展了相關技術和標準的研究和制訂，我國也相應成立了IMT-2020（5G）推動組[1-5]。

IMT-2020推動組將5G應用分爲四大場景，即移動互聯網的連續廣域覆蓋場景和熱點高容量場景、移動物聯網的低時延高可靠場景和低功耗大鏈接場景，相應的峯值網速指標達到10～20 Gb/s，時延在1 ms，工做頻段也提升到6 GHz如下（目前選定3.5 GHz）的低頻段和高達毫米波（6～100 GHz）的高頻段[1-6]。

5G不只僅是一次技術上的升級，也是一個催生新應用新技術的廣闊平臺。雖然工做在較4G移動通訊更高的頻段，一樣的相對帶寬意味着更大的絕對帶寬，但因爲移動通訊工做在天然物理環境中不可避免的多徑效應致使的衰落，使得既定的高網速很難達到，須要採起多種新技術來提升帶寬，其中大規模多輸入輸出（Massive MIMO）技術是其中的關鍵技術。Massive MIMO對低無源互調（PIM）、低互耦、通道幅相一致性好的大規模相控陣天線的陣列、單元及其饋電電路、功率放大器等射頻技術提出了新的挑戰[3，5，7-9]。

從Massive MIMO天線陣列的設計研發、生產調配到系統性能認證等各個環節，都須要有射頻測試技術來保證。從測試的指標來看，5G的射頻測試的指標包括元器件級的傳統分立射頻有源/無源指標(如無源互調)和有源無源集成的空口(OTA)測試(若有效輻射功率(EIRP))，以及反映系統級性能的指標(如吞吐量)。從測試的場地來看，能夠分爲室外測試和室內測試[10-14]。

室內測試是在電磁暗室內利用電磁波幅相調控產生、測量以及數據的轉換計算，模擬室外微波遠區場的特性或真實複雜工做場景的測試方法。室內測試方法相比於室外測試方法，成本小，測量不肯定度更低，適合從設計研發、生產調試到符合認證等各個階段的應用[15]。

本文介紹和分析了5G射頻測試的室內微波遠區場模擬方法、室內真實工做場景模擬方法和無源互調測試方法，並重點分析了其中陣列天線法平面波模擬器、5G信道模型等關鍵技術。

1 室內微波遠區場模擬方法

當前適用於5G移動通訊基站測量的方法主要包括室內準遠場、緊縮場場、球面近場和平面波模擬器等幾種，如圖1所示。其中，室內準遠場在測量距離足夠遠時，通常認爲對天線方向圖的測量不肯定度最小，主要缺點在於須要徹底知足遠場條件對應的暗室尺寸大，建設成本高，如廣東通宇通信建設了70 m長大暗室。室內準遠場若是不能徹底知足遠場條件，也會引發天線方向圖副瓣及零深測量的精度，另外因爲路徑損耗大，部分射頻指標測量受限。緊縮場可以在近距離知足遠場條件，基站天線方向圖的測量和射頻指標的測量簡單直觀，當前主要受限於建設成本和使用維護的成本較高。球面近場測試效率高，適用於6 GHz如下頻段的天線方向圖測量，因爲不直接知足遠場條件，部分射頻指標不能直接測量。

平面波模擬器是一種可以在必定區域內產生準平面波的裝置，該準平面波的電場幅度、相位波動可以知足天線測試所須要的遠場環境。典型平面波模擬器的構成如圖1(d)所示，採用陣列天線的近場合成技術對一個二維平面陣列天線的各個單元進行調控，將電磁場聚焦到空間中一片很小的區域。進一步經過對陣列各單元天線的幅度和相位乃至位置進行加權和優化設計，使得空間中某一區域的場分佈均勻波動甚小[16-19]。

平面波模擬器相比於其餘測量方法的最大優點在於對暗室空間需求小，對於5G移動通訊中的6 GHz如下頻率測試暗室外尺寸約爲3 m×3 m×4 m。待測天線處於平面波環境中，不須要進行變換，可以對不少射頻指標進行直接測量。平面波模擬器可以測量的天線及射頻指標主要包括：天線方向圖、天線增益、天線效率、交叉極化、EIRP（等效全向輻射功率）、TRP（總輻射功率）、TIS（總全向靈敏度）、EIS（有效全向靈敏度）、EVM（偏差向量幅度）、ACLR（鄰道干擾）。平面波模擬器還可以支持更高層的系統測試，如吞吐率、誤碼率測試等。

平面波模擬器的具體配置方法如圖2所示，一個Ne=Nx×Ny個天線單元的平面陣列，單元間距分別爲dx和dy，在法向距離爲d的必定區域產生準平面波。假設單元爲理想點源，平面陣列在靜區採樣點(xm，ym，d)（共M個採樣點）的電場表達式[20]爲：

經過對目標函數E(xm，ym，z)的優化實現所須要的準平面波條件。

結合以上分析，本文仿真了一個20×20單元的平面波模擬器，單元間距爲λ，在1.8 m遠處造成的1 m×1 m靜區內，幅度波動<1.0 dB，相位波動<10°，該平面波模擬器在3.5 GHz電場分佈狀況如圖3所示。

2 室內真實工做場景模擬方法

Gbps量級的網速帶寬是5G的特徵之一。無線信道中不可避免的多徑衰落效應形成的多徑散佈譜制約着實際帶寬的實現[21]。MIMO技術經過空時編碼技術，充分利用多徑中各個子徑的非相關性，能夠大幅度提升系統實際帶寬容量，這個測試得到的帶寬稱爲吞吐量（Throughtput）。5G的Massive MIMO技術經過增長更多的基站端天線，除了能夠大幅度提升實際帶寬，還能夠得到更好的波束賦形能力，提升網絡容量並抑制小區內干擾。這一技術對於信道建模、預編碼和導頻設計等提出了更高的要求。

室內空口（OTA）測試是美國無線通訊和互聯網協會（CTIA）提出的系統性能測試方法，在MIMO等多天線系統OTA測試方法中，3GPP37.977文件中介紹了MIMO OTA吞吐量的定義，並給出了多探頭暗室方法（MPAC）、混響室方法和兩階段（2-stage）方法等可選方案，如圖4所示[22]。

Massive MIMO系統吞吐量的室內OTA測試的核心問題是如何在室內模擬5G移動通訊的真實工做場景，復現真實場景中多徑效應形成的電磁波信號在空間域、時間域、極化域和頻率域上的特性[23]。

從這一角度出發去分析3個可選方案，如圖4（b）所示，混響室方法是利用混響室的特色模擬幅度高斯分佈、相位均勻分佈的瑞利信道；圖4（c）所示的兩階段法是，首先測得天線方向圖，而後將計入了天線方向圖影響的信道模擬器利用傳導法接入被測設備。以上兩種方法實際上都沒有全面模擬電磁波相對於被測天線陣列的空間分佈特性，從而沒法考察不一樣基站-終端方向夾角下的系統性能差別，也沒法考察Massive MIMO陣列的空間波束賦形能力[22-23]。

在圖4（a）所示的多探頭測試方法中，每個雙極化探頭天線都鏈接兩個對應不一樣極化信號的信道模擬器。信道模擬器是用來模擬通過真實工做場景中多徑效應後的衰落信號，所以從探頭天線上發出的信號是符合衰落信道模型的隨機信號，從而較好地解決了真實工做環境信號的室內重建，更全面地考察了被測系統的吞吐量。

能夠看到，信道模型不管是在Massive MIMO系統的設計，仍是在MIMO系統級性能的室內測試中，都是最關鍵的技術之一。因爲天線方向性的特色，終端的信道模型目前通常採用幾何模型或稱基於子徑的擴展模型（SCME）。SCME模型將多徑信號假設爲從固定的若干條具備不一樣強度、時延、到達角的路徑到達，因爲帶寬越寬越能辨析更多的路徑，所以，路徑的數目與工做的帶寬成正比。SCME模型適用的場景是郊區宏小區環境、城市宏小區環境和城市微小區環境，不一樣環境假設的直達信號（LOS）信號不一樣。對於基站而言，因爲安裝位置和天線陣列的特色，多徑信號的來波方向應該更加集聚[24-25]。

事實上，信道模型不只取決於環境的幾何因素，更與工做頻率、收發天線的位置高度和方向圖特性、環境的材料因素密切相關。3GPP、ITU定義的信道模型較爲簡單，沒法體現系統、終端、芯片在真實場景下的性能。我國的新一代寬帶無線移動通訊網重大專項2018年度課題中專門設立了課題1-22「基於大數據的5G信道模擬與性能驗證」，研究室內精確模擬室外傳播環境的方法。綜合利用海量的信道測量數據，引入數據挖掘和機器學習技術，構建涵蓋多小區和多用戶的無線傳播環境，研發切換、峯值吞吐量、切換等關鍵技術的性能仿真和測試平臺。

3 無源互調的測試

當無源器件中輸入多個頻率的信號時，因爲器件的非線性在信號之間會產生互調幹擾，從而對通訊質量產生影響。將來5G移動通訊中，大功率、多頻帶、高靈敏度已成爲一種發展趨勢，須要更加劇視PIM的設計和干擾測試[26-35]。

無源互調錶徵有兩種方法：一種是絕對功率電平表示法，用以dBm爲單位的互調產物電平值來表示；一種是相對功率電平表示法，即用互調產物絕對功率電平與一個輸入載波功率電平的差值來表示，單位爲dBc。IEC62037建議實驗端口處採用2×20 W（43 dBm）功率，這一標準已被業界普遍採用。好比基站天線互調要求通常爲-107 dBm@2×43 dBm，等同於-150 dBc@2×43 dBm。

目前，國際上已經制定了無源互調失真測量標準IEC 62037，IEC 62037系列標準基於雙載波測試方法，包括輻射式互調測試和傳輸式互調測試兩種基本標準，主要針對於單端口器件（如天線）、多端口器件（如功分器）及雙端口器件（如同軸接頭、波導等）。輻射式測試原理圖如圖5所示，用於單端口器件的測量中，天線和負載等均可以採用這種測量方法。雙端口器件使用如圖6所示的傳輸式測試系統。因爲互調信號電平較低，通常要求測試系統保持必定的穩定性。

以輻射式測試系統爲例，測試系統由三部分組成(發射部分、被測部分、檢測部分)，發射部分由大功率頻綜信號源、定向耦合器、功率計、頻率合成器、Tx-Rx雙工器組成。被測信號由大功率頻綜信號源產生，兩個載波經頻率合成器合成，合成後的信號通過Tx- Rx雙工器到達被測件，檢測部分由低PIM帶通濾波器、低噪聲放大器、頻譜儀組成。對產生的PIM信號進行濾波、放大並顯示。一般用輻射測量法對包含喇叭在內的輻射型被測件進行測量, 須要一個無PIM的吸波室。

該方法能夠測量PIM水平在典型值(高於-110 dBm)的微波器件，而當PIM很微弱時(低於-110 dBm)，測試系統中信號源帶來的雜散與互調強度接近甚至高於互調，通過帶通濾波器很難濾除信號源雜散，致使檢測到的PIM信號不許確。採用Massive MIMO技術的5G移動通訊基站功率比43 dBm大大增長、終端工做頻段擴展、接收機靈敏度不斷提升，對無源互調測試系統準確性、靈活性、高效率和穩定性也提出了更高的要求。

4 結論

5G移動通訊中天線和射頻技術的發展將極大地推動天線、射頻前端及系統級測量方法的進步。更加適用於5G移動通訊測量的平面波模擬器等新技術將會得到普遍應用。針對整個通訊系統特性測量的5G信道仿真技術、無源器件的互調仿真方法將會獲得新的發展。

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