确保MIMO天线数组运作无虞5GOTA测新时代

确保MIMO天线数组运作无虞 5G OTA测试完善效能表现

由于复杂性和成本的增加，物理尺寸的限制和插入损耗，在6GHz和毫米波频率范围内应用大量MIMO的天线数组将不会提供天线连接器。因此就需要OTA测试。 利用在近场或远场执行测量三维天线方向图的OTA测试。 近场测量允许更小的无响室进行测量，但需要对天线增益模式进行额外的近场到远场变换。

上期文章介绍了介绍5G背景、波束成形(Beam-forming)天线之基本理论、提供辐射图的计算方法，以及传导测试结果等；而本期文章则描述了有关3GPP标准化状态之主动天线系统(AAS)的OTA测试。

进行OTA天线测量确认DUT辐射性能

OTA测量参数可分为两大类，用于对DUT辐射性能进行更完整的研究、研发和校准，验证和功能测试的总结如下：

研发端五大测量要点

研发端的测量可分为几项要点，分别为增益图形、辐射功率、接收机灵敏度、收发器和接收器特性，以及波束转向和波束跟踪等。

1.增益图形：增益图形是来自三个主平面(E1、E2或H平面)之一的2D或完整的3D模式。 对于具有一个或多个波束的天线数组，3D增益图形更有用。

2.辐射功率：有效辐射功率(ERP)或有效等方向性的辐射功率(EIRP)用于测量，作为UE或基地台的主动天线系统。 对于UE测试，使用总辐射功率(TRP)，其中TRP是球面上ERP值的加权积分。

3.接收机灵敏度：接收机灵敏度之参数特性，是有效等方向性的灵敏度(EIS)，且测量指定接收机之灵敏度的字组错误率。

4.收发器和接收器特性：主动天线系统中的每个单独收发器，需要通过OTA接口进行验证。 这包括发射机和接收机的测量范围，如表1所列，假设每个收发器将被打开以进行单独验证。

5.波束转向和波束跟踪：由于毫米波无线系统的高路径损耗和有限的范围，移动用户需要精确的波束跟踪和快速波束采集。 对于现有蜂窝技术的天线之实现，静态波束图形特性是足够的，毫米波系统将需要动态波束测量系统。

生产测试四大要点

至于生产测试的测试要点则是包含天线/相对校准、收发器校准、五点波束测试，以及功能测试。

1.天线/相对校准：为了精确地形成波束，RF讯号路径之间的相位偏移需要在±5O以下。 可以使用相位同调接收机来针对被动和主动天线系统进行测量，以量测所有天线组件之间的相对差异。 然后将其编译成AAS的查找表，以用作波束生成的参考，或校准AAS单元内的内部自我校准电路。

2.收发器校准：由于在一些大规模MIMO系统上缺少RF端口，各个收发器将须要使用OTA技术进行校准。 这其中包括发射机和接收机。

3.五点波束测试：AAS制造商规定了每个宣告的波束之参考波束方向、最大EIRP和相应的EIRP值。 对于一致性，则是测量最大EIRP点，和对应于最极端转向位置的四个附加点。

4.功能测试：主要针对生产时之完全组装的单元所进行的最终测试。 其可由简单的辐射测试、五点波束测试和聚合收发器功能组成，例如所有收发器的EVM测量。

OTA测量系统可以分为三种不同类型，取决于辐射场的哪一部分被采用。 场强区域是根据电磁场的功率分布分离。 在无功的近场区域中，确定功率需要关于电磁场的振幅度和相位的信息，而远场区域中的辐否则可能令面试官怀疑应聘者性格孤僻。5、最好能有一些户外的业余爱好来“点缀”你的形象。射场，仅允许基于电磁波的振幅确定功率。 这两个极端之间的区域是辐射近场，需要测量场的相位和振幅。

对于例如UE的小组件(在波长方面)，组件尺寸足够小，使得用于远场条件的所需腔室尺寸由测量波长支配。 对于诸如基地台或大规模MIMO的较大组件

，其所需的腔室尺寸会变得非常大。

惠更斯的电磁原理指出，如果在包围天线的任意表面上知道其切向电场和磁场，则可以使用傅立叶变换来计算等效的远场辐射特性。 只要测量系统精确地对整个封闭表面上的电磁场之相位和幅度进行采样，就可以显著地减小腔室之尺寸。

大多数测量发生在DUT的辐射近场或远场上，如图1所示：

图1 OTA量测系统之类型

远场测试

远场腔室尺寸在远场区域中的测量，仅需要直接测量平面波的场强度。 这样的腔室通常是非常大的，其中长度由DUT尺寸和测量频率的组合来设定。 而针对近场腔室尺寸，虽然远场通常在距离DUT的适当距离处测量，但是可以操纵电磁场，以利用近场腔室来直接测量平面波振幅。 使用两种可能的技术如下：

1.紧凑型腔室：在DUT表面形成平面波的最简单的方法是，通过使用类似于光学反射器的反射器扩展电磁场路径。 由于构建准确反射器的费用相当高，这种技术主要用于大型DUT(如飞机和卫星)。

2.平面波转换器(PWC)：在DUT上创建平面波的第二种方法是，用天线数组替换测量天线。 类似于在光学系统中使用透镜，天线数组可以在DUT的区域中之目标区域处产生平面远场(图2)。

图2 3GPP规范的平面波转换器

近场辐射测试

近场区域中的测量需要在封闭表面(球形，线性或圆柱形)上采样的场相位和振幅，以便使用傅立叶频谱变换计算场强。

该测量通常使用在DUT的一个端口，和测量天线的另一个端口之向量络分析仪进行。 对于主动天线或大规模MIMO，通常没有专用天线或RF端口，因此OTA测量系统必须能够检索相位才能完成到远场的转换。 主动天线系统执行相位检测有两种方法(图3)：

图3 近场相位检索技术

1.干涉：该方法是将具有已知相位的第二天线作为参考。 参考讯号与未知相位的DUT讯号混合。 藉由使用后处理，可以提取DUT讯号的相位并将其用于近场到远场变换。

2.多个表面或探针：不使用第二个天线进行相位参考，该方法是使用第二表面体积作为相位参考，在两个测量半径之间至少有一个波长间隔。 作为测量多个表面的替代方案，可以在单个测量表面上使用具有不同天线场特性的两个探头。 两个探针需要至少分开半波长的长度来达到最小化之相互耦合。

3GPP已制定基站OTA测量规范

3GPP为主动天线系统(AAS)制定了RF要求背景的专门技术报告。 研究和工作项目阶段包含辐射要求列表，以及情景部署的实施要求列表；适用于AAS的发射和接收测量要求得到批准。 AAS被定义为将天线数组与收发器单元数组和无线电分配络相结合的基地台系统。

图4定义了一般的AAS BS RF架构。 发射机单元或接收机单元与无线电分配络(RDN)连接的点等同于非AAS BS的「天线连接器」，称为「收发器数组边界连接器」(TAB连接器)。

图4 通用AAS无线电架构

TAB连接器被定义为传导的参考点。 每个载波从一个Tx单元发送的讯号出现在一个或多个TAB连接器上；以及每个载波从一个或多个TAB连接器接收的讯号出现在单个Rx单元。

对于能够支持使用波束成形的应用的AAS BS，TAB连接器的整体或子群，可以被配置为具有指定的振幅和相位权重，使得一个或多个波束从天线数组(模拟，数字或混合波束成形)辐射。 请注意，从测试的角度来看，是针对所对应的远场之参考点来定义的。

辐射要求

3GPP根据电磁和空间参数定义了OTA的要求。 电磁参数以功率(dBm)或场强(dBμV/m)表示。 使用球面坐标(r，θ，)在笛卡尔坐标系(x，y，z)中指定空间参数，参见图5。

图5 坐标系统的正交表示

所选择的方法要求制造商宣告用于小区覆盖的波束数量，然后根据宣告的波束要求进行验证，供货商根据AAS BS外壳的可识别物理特征宣告其坐标系原点的位置。

至于一些基本定义，适用宣告的成对波束方向(Beam direction pair)，且与波束中心方向和波束峰值方向相关联。 波束中心方向和以及月精寺经东台山至小金刚一线是五台山赏枫路线中景色最美的地方。还有韩国名山之一的雪岳山波束峰值方向表现了AAS创建波束的能力。 中心方向等于波束的-3dB EIRP轮廓图的几何中心。 波束峰值方向是找到最大EIRP的方向(图6)。

图6 成对波束方向之范例(左：3dB轮廓中心处的峰值，右：不在3dB轮廓中心的峰值)

参考波束方向，代表成对波束方向可实现预期之最大EIRP，而波束宽度被定义成，于波束椭圆半功率轮廓图上，最接近椭圆主轴和短轴的角度。 每个支撑的波束，都用唯一的波束标识符号来定义。

关于表征每个受支持的单波束，制造商表示了其最高的期望EIRP，包括方位角和仰角(θ，)中最窄和最宽的期望波束宽度。

请注意，参考波束方向用于描述波束转向能力。 AAS的制造商将表示波束的数量和转向能力，这有可能是连续的(图7中的右上和右下)或者是不连续的(图7的左上和左下)。

图7 5点光束声明

在表示的最大波束方向(例如图7左上方)测试合格性。 AAS BS波束的最大辐射发射功率是在RF频道B(Bottom)，M(Middle)和T(Top)处在表示的波束峰值方向测量的平均功率电压。 AAS BS支持的RF频道也由制造商所表示，对于参考波束方向和最大极限转向方向只需要EIRP值的一致性宣告，因此便使用五点波束测试。

辐射发射机特性

由AAS支持的波束数量，交由制造商指出连续波束和非连续波束声明在何处是可能的。

辐射发射功率被定义为，在特定波束峰值方向上表示的波束之EIRP电压。 要求的所有EIRP电压，都是为了实现所有要求的波束峰值方向。 但是，只有遵守极端方向才能被测量(图8深色十字)，波束方向遵循于EIRP精确度之规范。

图8 AAS非连续波束所表示的简化范例

3GPP