适用于5GOTA射频测试的动态赋形紧缩场研究及其应用

适用于5GOTA射频测试的动态赋形紧缩场研究及其应用

摘要：由于5G引入大规模天线MassiveMIMO和毫米波技术，4G时期采用传导测试的方式已经无法满足5G基站测试需要，因此5G基站射频指标测试转向采用OTA空口测试方法。本文在分析大型紧缩场测试方法的基础上，介绍了一种能够支持Sub6GHz5G基站测试的小型化、低成本的新方法，即动态赋形紧缩场的测试方法。通过从原理到实际验证的阐述，说明该方法能够满足3GPP规范要求的全部5G基站射频指标测试，能够大幅降低场地要求和构建成本，显著提升测试效率，为5G基站测试提供一种全新的测试解决方案。该方案已经在3GPPRAN4#90B会议上一致通过，并将写入TR37.843测试规范中。关键词：动态赋形紧缩场，平面波，射频指标，OTA，5G1引言近期，工业和信息化部颁发了5G牌照，标志着中国进入5G商用阶段，即将开展大规模5G网络部署。由于5G引入大规模天线MassiveMIMO技术，Sub6GHz频段的5G基站天线射频通道数为64个，天线阵子数更是上升到192天线。天线之间采用联合波束赋形算法，使得传统的传导测试不能完全测量出基站的实际使用性能，所以只能采用空口OTA测试方式。空口OTA测试是在基站处于安装完整的状态下进行测试，不对基站有任何的修改或拆解，更能从整机的角度考察基站指标。OTA测试方法主要有直接远场（DirectFarfield）、近场远场转换（NF2FF）和紧缩场（CompactAntennaTestRange）三大类。第一类为直接远场方法，以3.5GHz频段5G基站测试要求为例，远场条件2D2/λ，以现有基站尺寸1m×1m计算，其远场条件至少为46.6m，暗室的长、宽、高一般需要70m×35m×35m以上的完整空间，对建筑物和场地要求极高，投资成本高昂；第二类为近场远场转换方法，大多适用于无源天线测试，还不能满足5G基站有源相控阵天线的测试；第三类是紧缩场方法，目前被广泛应用于基站测试，紧缩场暗室的长、宽、高一般需要10m×5m×5m以上，其反射面的重量约为1～2吨，对建筑物高度、场地条件、地面承重也有较高的要求，建造周期一般为6～12个月，需要恒温、恒湿条件，综合造价至少在千万元以上级别。上述方案均存在场地要求高、成本造价高、建设难度大、运行测试效率低等问题。本文阐述了一种适用于基站和一般通用天线的测试系统，即动态赋形紧缩场（DynamicBeamformingCompactRange，DBCR），并对其进行理论分析，说明测试区域的频段和静区性能动态调整方式，以及系统验证方法和测试前的校准方法。在介绍动态赋形紧缩场的适用范围、静区仿真和实测数据的基础上，给出系统的不确定度。2018年，5G推进组组织开展的5G研发技术试验中，针对3.5GHz频段的基站射频指标测试已采用本文介绍的动态赋形紧缩场OTA测试系统。2平面波生成理论动态赋形紧缩场的理论基础是平面波的产生（PlaneWaveGenerate），平面波产生由N个元素的天线阵列排布组成，调整天线阵列中每个阵子的幅度和相位权值ω，经过计算和优化，可在离天线阵距离为d的平面区域内，拟合出平面波。该平面波区域内幅度近似一致，相位近似相等。如图1所示，在xz平面上，存在着N个天线组成天线阵列，为m行n列，距离其d平面区域内形成测量静区，其区域内幅度相同，相位相等。图1平面波生成原理在距离d的平面上，其每个点的电场强度可由阵子天线发射的初始幅度相位表示。假设每个阵子天线为标准偶极子天线单元，极化延z轴，则平面内的电场Ez可表示为：其中，xm、zm为静区d的坐标。这个公式的目标是找到每一个天线阵子n的权重ωn，使其最终得到的Ez幅度相同，相位相等。在做权重ωn的计算时，可以选择各种优化方法，如矩阵求逆、凸优化、遗传算法、最小二乘法等。3动态赋形紧缩场测试系统动态赋形紧缩场测试系统包括微波暗室、转台及DBCR设备。DBCR包括幅度相位调整单元、天线、机械安装部分，在需要时可增加功率放大器。测试及校准仪表被放置在微波暗室的外面，通过光纤传递数据。由网线传递数据必须通过滤波器，否则会破坏微波暗室的屏蔽性能。DBCR的天线阵列放置在暗室的内部，转台安装在设计的静区内，且静区的中心到DBCR天线阵面的距离R需要根据算法设定，以保证被测物在整个测试过程中，均处于静区之中（见图2）。动态赋形紧缩场的工作带宽受限于调相网络的工作频段，目前DBCR的测试系统可完整支持从2G～6G的全频段测试，测试过程中更换频段完全由软件控制，只需更改置入DBCR中的幅相数据即可实现测试频段的转换。图2动态赋形紧缩场系统连接图动态赋形紧缩场可以在设定的区域内生成平面波，以供测试使用。其大致结构包括天线阵列、支架、调幅调相网络、控制器等，其造价成本约为紧缩场的1/3，场地尺寸与紧缩场大致相当。假定测试基站所需为1m×1m的静区，静区可设计成球形、立方体或圆柱体，最终建造的屏蔽室约为5m×3.5m×3.5m。在设定的距离内，将被测设备挂置在转台上。DBCR与紧缩场的差别在于，DBCR设备重量随不同尺寸变化不大，用于基站测试的DBCR设备只有200kg左右，可以方便地部署于建筑物的各个位置。只要暗室条件满足楼体承重，DBCR测试系统就可以配置。而紧缩场需要事先铺设好用于摆放反射面和馈源的地面，以防止地面沉降或变形对反射面形成平面波造成恶劣影响。紧缩场的频段根据不同的馈源而调整，在使用过程中需要更换不同型号的馈源。3.1DBCR的场地验证场地验证的过程目的是为了补偿天线和调相网络的每个通道的幅度相位差，只有补偿精确之后才可以置入计算好的幅度相位数值；否则置入的数据带有硬件带来的固定幅度相位差，将会引起不可预料的问题。动态赋形紧缩场的静区场地验证可由扫描架带探头进行静区场地测试，具体参见图3。使用的探头可以是矩形开口波导或标准增益喇叭天线。幅度相位补偿的方法可参考相控阵天线的校准方法，使用如传导法、旋转矢量法等方式进行幅度相位的校准和补偿。图3DBCR场地验证在进行完幅度相位补偿之后，置入仿真的数值，以形成静区QuietZone，静区之内的平面波使用平面扫描架对幅度和相位进行扫描，扫描间隔需小于1/8波长。从扫描后的静区数据可以看出，在设定的静区内形成了幅度大致相同，相位近乎相等的平面波区域，在该区域中进行天线测试可以保证测试出的方向图不会出现抖动或方向图偏差。值得注意的是，静区测试的时候需要对扫描架的平面度进行补偿，否则相位测量会受到影响，并且还要考虑到仪表的温漂和幅度相位不确定度，扫描架本身的抖动也是需要考虑的因素之一。考虑到这些所有因素后，要在测试前修正，或测试结果上进行加权补偿。补偿后的结果才是静区最终测试结果。一般来说，紧缩场只对静区中心十字线进行静区扫描，本文使用扫描架对整个静区平面进行扫描，更能看出整个静区的平面度、锥削和波动。从图4可以看出，静区内产生了良好的幅度近似相同，相位近似相同的平面波区域，其3.5GHz频段的测试结果可达到幅度峰峰值波动pp＜±0.5dB，相位pp＜±5°，完全符合基站测试的要求。其他频段经测试也满足要求，全工作频段为2GHz～6GHz。图4DBCR紧缩场静区测试三维图3.2DBCR的路径损耗校准动态赋形紧缩场的幅度校准与其他测试没有本质区别，使用标准增益喇叭或带有校准数据的天线系统增益测试（见图5）。首先，将标准增益喇叭放置在转台上，朝向DBCR阵面，与其法线方向平行；然后，将DBCR置入幅度相位数据，使其工作在平面波模式。使用矢量网络分析仪测量此时的S21或使用信号源和频谱仪，测量从标准增益天线端口到接收机之间的路径损耗，即A→C之间的路径损耗。图5DBCR增益校准过程示意图3.3DBCR的DUT测试在设定好的测试距离中心，将被测设备挂置在转台上，以保证整个测试过程当中，被测物均处于静区内。测试时使用转台对DUT旋转测试，整个测试过程中，DBCR测试系统的调幅调相数据不需要改变，可完整支持至少200MHz带宽的测试，即在200MHz带宽内均为平面波，可以对带内和带外EIRP、EIS、TRP、ACLR、杂散、EVM等射频指标测试项进行测试。在需要更换频带时，只需更换调相网络的置入数据，可在秒级时间内完成测试频段的扩展。在表1和表2描述的3GPP测试项目中，可以看到DBCR对整个上行和下行的测试绝大部分都支持，仅个别需要低频测试的项目表示不支持（见图6）。表1辐射发射测试项辐射接收测试项评价方法DBCR支持情况OTASensitivityEIS支持OutReferenceSensitivityLevelEISReference支持OTADynamicRangeThroughput支持EISRefsens支持OTAin-bandSelectivityandBlockingThroughput支持Throughput支持OTAout-of-bandBlockingEIS支持OTAReceiverSpuriousEmissionsTIS低频受限OTAReceiverIntermodulationEISRefsens低频受限表2辐射接收测试项辐射发射测试项评价方法DBCR支持情况RadiatedTransmitPowerEIRP支持OutBaseStationOutputPowerTRP支持OTAOutputPowerDynamicsOTAREPowerControlDynamicRange支持OTATotalPowerDynamicRange支持OTATransmitON/OFFPowerTransmitterOFFPower支持OTATransientPeriod支持OTATransmittedSignalQualityOTAFrequencyError支持OTAModulationQuality支持OTATimeAlignmentError支持OTAUnwantedEmissionsOTAOccupiedBandwidth支持OTAAdjacentChannelLeakagePowerRatio（ACLR）支持OTATransmitterSpuriousEmissions低频受限OTATransmitterIntermodulationTRP低频受限图6DBCR系统基站测试示意图测试时可将DBCR安装在一侧墙壁内，因其重量较轻，且整个面不易变形，在底部装有轨道的情况下，测试完成后可将DBCR阵面移出屏蔽室，不会影响屏蔽室的使用。图7所展示的是某阵列天线的测试对比图。测试结果表明，DBCR在对天线增益方向图指标测试与CATR紧缩场基本无差别，主波束功率和零深位置均能完整对齐。方向图和增益指标测试正确，意味着绝大部分发射和接收的测试项目与CATR测试无差别。图7DBCR与CATR紧缩场某基站方向图测试对比4DBCR的应用前景基于上述动态赋形紧缩场的理论分析和系统验证结论，DBCR测试方法获得业界的高度重视和认可，已经在3GPPRAN4#90B会议上一致通过，并将写入TR37.843测试规范中。鉴于我国5G商用网络部署规模巨大、产品要求高、供货强度大，提升设备研发测试和量产测试的效率，缩短备货供货周期，对厂商和运营商都至关重要。动态赋形紧缩场技术，可在单层建筑高度、普通建筑物承载标准、较小占地面积的条件下，不额外增加基建要求，实现对Sub6GHz基站带内和带外指标的测试能力，拥有与大型紧缩场可比的静区指标和测试性能，全面满足3GPP规范要求，且可缩短建设周期和大幅提升测试效率，为全球5G基站射频OTA测试提供了最佳解决方案，并将为全球5G产业发展奠定关键基础，具有广阔的应用前景。参考文献：[1]3GPPTS38.141-2V1.0.0（2018-09）.BaseStation（BS）conformancetestingPart2:radiatedconformancetesting（Release15）[R].3GPP,2018.[2]XieR,WangX,WangR,etal.Amethodforreducingexcitationcomplexityofplane-wav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