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Benoît Derat, Corbett Rowell, Adam Tankielun, Sebastian Schmitz 罗德与施瓦茨公司，慕尼黑 “ 5G移动通信容量的增加需要在6 GHz以下频段和毫米波频率上推出配合网络和移动终端的大规模MIMO基站。由于使用动态波束赋形以及被测设备上没有射频测试端口使得空口（OTA）测量对于5G部署至关重要。幸运的是，采用软件和硬件近场转换的OTA测试解决方案可以应对这一挑战。” 5G新无线电（NR）通信系统，为了增加移动无线电网络容量，将使用6GHz以下频段范围（3GPP称其为频率范围1（FR1））内的频段，和毫米波频率范围（FR2）内的频段。由行业和3GPP选择的新技术方法承诺以更低的运营费用实现更大的带宽。 在FR1中，主要的创新努力集中在基站上，实现了大规模MIMO应用。4G系统使用单用户MIMO，其中用户设备（UE）计算逆向信道矩阵以提取单独的数据流。5G多用户MIMO（MU-MIMO），使用预编码矩阵技术，将复杂性从UE侧转移到基站侧。这里，每个数据流由单独的接收器独立接收使用64到512单元的天线阵列进行波束赋形，可减少对使用MU-MIMO的相邻用户的干扰。除了有利于采用MU-MIMO增加容量外，波束赋形还有其他优点。通过将各个UE对准分配给它们的信号，波束赋形较低的能量消耗可减低整个网络的运营成本。 在FR2范围内的通信系统，可使用28GHz和39GHz频率上的大量可用带宽。不利影响是1米远距离就有超过60 dB的路径损耗和附近物体对电磁场的大量吸收。与FR1系统一样，解决方案是采用天线阵列和波束控制，从而提高网络中移动设备侧和基站侧的增益。 无论是FR1还是FR2，5G部署都依赖于结合了调制解调器、射频前端和天线的高度集成解决方案的性能。 挑战在于定义性能评估的新方法和装置，因为射频测试端口逐渐不再配备，而波束控制技术需要系统级测试。在这种情况下，必须测量OTA天线和收发器性能标准：有效全向辐射功率（EIRP）、总辐射功率（TRP）、有效各向同性灵敏度（EIS）、总各向同性灵敏度（TIS）、误差矢量幅度（EVM）、相邻信道泄漏比（ACLR）和频谱辐射模板（SEM）。评估这些OTA引出了所需测量距离这一关键问题。天线特性通常在远场测量。应当使用直接远场探测并运用Fraunhofer距离准则（(R = 2D2/λ），在至少有9m长的腔室内评估以2.4GHz辐射的75cm大规模MIMO被测设备。即使是以43.5 GHz发射的15cm长智能手机也需要6.5m的测试距离。需要用这个距离来建立包围被测设备的区域，其中入射场应尽可能均匀并且接近相位差小于22.5度的平面波，称为静区。 研究表明，峰值方向区域的实际远场行为可以在比Fraunhofer距离更近的位置出现。这些结果证明，例如，可以在近至1.14m距离处评估以24GHz频率发射的15cm长被测设备的远场EIRP或EIS性能。距离缩短约70%是以增加纵向锥度误差（由表观相位中心与测量坐标系中心偏差引起）为代价取得的。此外，在较短距离上无法准确评估旁瓣电平。虽然在较短距离上进行直接远场测量对所有应用都不方便，但当考虑应用条件时，存在这样做的动机。这是因为大型OTA暗室的拥有成本非常高昂并且动态范围有限。典型应用可以是“白盒”情况，这时设备的天线位置及其孔径尺寸是已知的。
近场到远场 在“白盒”假设下，当辐射孔径大于静区，在被测设备内不能精确识别天线或者多个天线同时发射时，例如，从未安装在静区内的被测设备的两个极端边缘发射，可能不适合进行直接远场测量。于是必须考虑“黑盒”情景，那里辐射电流可以在被测设备内任何地方流动。在紧凑环境中处理此类情况的首选有效方法是采用近场到远场转换（NF-FF）的软件，对于NF-FF，静区大小问题变得无关紧要。NF-FF的数学实现可能有所不同，但概念通常一样：在包围被测设备的表面上测量电磁场的至少两个偏振分量（E，H或两者的混合）的幅度和相位。使用将场传播到更远距离的功能处理测量数据，并提取远场辐射分量。根据Huygens原理，两个相位复矢量的知识足以精确重建表面外的所有六个场分量。替代转换方法使用球面波展开、平面波展开或积分方程解析，采用利用诸如空间采样率、扫描区域或截断的参数来提高计算效率或精度的技术。 图1给出一个商业系统，能够使用圆锥切转台对测设备周围进行球面扫描，进行直接远场测量和近场测量。在这个系统上，被测设备位于方位角可旋转的转盘上，而双极化Vivaldi天线安装在仰角可旋转的悬臂末端。被测设备上的射频测试端口连接到矢量网络分析仪（VNA）； 图1 球形测量系统（ATS 1000）能够进行近场软件转换，测量28 GHz阵列。 测量天线的端口连接到VNA的另外两个端子，通过测量复数S参数实现近场评估。 近场测量方法通常依赖关于无源或射频馈电天线测试的基本假设：
在发射情况中有可用的解决方法，在那里这些假设不适用。例如，技术手段可以解决不具备天线端口的发射调制信号的被测设备。硬件和处理实现检索传播相位改变，例如，使用干涉技术，或使用带额外专用相位参考天线的多端口相位相干接收机。对于类似图1中系统的系统，这个天线通常连接到方位角转盘。当从幅度测量中提取相位信息时，替代方法包括无相位方法。 然而，接收模式更为复杂。首先，互易假设不适用于移动电话和基站设备，因为接收射频部件链路通常不同于发射射频链路。对于没有测试端口的被测设备，由来自探测天线（这里用作发射器）的入射波产生的射频前端输入端的可用功率在近场中无法直接预测。换句话讲，不可能将远场中被测设备的固有接收特性与测试装置产生的近场耦合效应隔离开。也无法访问相位基准，于是NF-FF软件转换变得不可使用。因此，可使用NF-FF软件在近场中精确评估EIRP，但是不能评估EIS。 收发性能测量 另一个关键问题是无线电收发器性能的OTA评估，例如EVM、ACLR或SEM。软件NF-FF方法设计用于处理确定传播的射频信号（载波）的周期性部分。然而，这部分信号对评估这些性能参数没有意义，因此挑战在于从载波调制中提取信息。 第一个难点是这些量很大程度上取决于接收器（发射模式下的频谱分析仪或接收模式下的被测设备）的信噪比（SNR）。首先评估完整的三维发射辐射图或接收辐射图，从而确定峰值方向可以克服此难点。然后，可在该特定位置进行解调，以及执行EVM测量或其他测量。问题是，所获得的值是否可靠并且反映了在远场中获得的结果。在单收发器情况，只要SNR高于某个取决于调制方案的阈值，例如，优于20dB，近场EVM必须与远场EVM相同。 对于同时运行的多个独立收发器，由于近场中的噪声系数依赖于位置，近场EVM可能不会直接与远场EVM相关。 硬件近场转换 替代的测试方法能够在近场评估OTA，无需软件转换，而是采用硬件转换。 其基本设想是在短距离内，在指定的静区范围采用物理方法建立远场条件。这被称为“间接远场”。紧凑型天线测量系统（CATR）使用反射器将球面波转换成平面波，反之亦然。按照Fermat最短时间原理，使用抛物面反射器可将平面波聚焦在单个点上。如果使用互易原理，将测量天线放置在该焦点处，则可以产生平面波，因为抛物面反射器将来自测量（或馈电）天线的入射球面波的某个平面分量反射到放置被测设备的静区（参阅图2）。 图2 使用卷边反射器的紧凑型天线测试系统，将球面波前校直成平面波前。 CATR系统内的误差主要有两个来源：反射器几何形状 -边缘处理和表面光滑度（会限制频率范围），以及馈电天线特性。如果仅是简单利用抛物面截面构建反射器，那么锋利的边缘会引起衍射，这会产生大约2 dB的纹波，从而严重污染静区。减轻这种现象的技术包括锯齿形和卷边，以便将能量从静区散开。 锯齿形/卷边的大小和形状决定最低工作频率，而表面粗糙度决定频率上限。馈电天线辐射图特性对静区大小有直接影响，因为反射器将馈电天线的辐射方向图基本上都投射到静区。 具有锯齿形/卷边的反射器尺寸通常至少是被测设备/静区尺寸的2倍，其中带尖锐边缘的反射器是静区大小的3至4倍。到被测设备的最佳反射器分离距离是反射器焦距的5/3。用范围大致为0.3到1的焦距与抛物面直径之比，可以从制造形状公差推出最佳焦距。 由于静区大小取决于反射器特性而不是范围长度，因此在小型腔室内建立大静区更容易些。图3显示在28 GHz的CATR中测得的27cm静区大小，类似于图2所示的，采用42 cm×42 cm反射器。 这种CATR装置适合放置在小至2 m×1.5 m×0.85 m的腔室内。具有相同静区尺寸的直接远场测量系统需要14.5米的范围。这些技术对于测试在5G NR FR2中运行的UE或基站非常有意义，可显着降低对测试场地大小的要求。 图3 卷边紧凑型系统的28 GHz、2 dB幅度锥形静区，以及直接远场系统。 此外，CATR有与远场系统相同的能力，即，能够瞬间测量和直接测量射频收发器的发射和接收性能。由于这种系统的路径损耗仅发生在波在馈电和反射器间传播的有限区域之间，CATR系统的动态范围优于直接远场方法。以图3为例，CATR系统的焦距为0.7 m，相当于长14 m的等效远场范围，二者有26 dB的路径损耗差异。 平面波合成 CATR反射器通常用一块实心铝制造，以满足严格的表面几何形状要求。5G FR2被测设备尺寸要求考虑紧凑且相当轻的反射器（20至40 kg）。在5G FR1范围内，反射器重量显着增加，用于基站被测设备的甚至高达数百kg。体量大的重型反射器成本、制造时间和加工难度常常让人望而却步。重量轻且成本效益好的替代方案是使用“电子版”的CATR反射器。通过组合由相控阵列组装而成并馈送预定信号幅度和相位的多个天线的辐射，可在限定的静区内建立平面波。这种近场聚焦技术的一种版本，在麻省理工学院林肯实验室用于测量大型相控阵雷达已有数年之久，并已被3GPP提议作为基站OTA测量的基准。 图4所示为2018年欧洲天线和传播会议上报告的平面波转换（PWC）系统。它包括由156个宽带Vivaldi天线组成的阵列，后面是由许多移相器和衰减器组成的波束赋形网络。这个PWC阵列宽1.8米，在2.3至3.8GHz的频率范围内，在距离短至1.5米的地方形成1米直径的球面静区。在图4的装置中，被测设备（这里为校准天线）安装在组合轴转台上，可实现全球面测量。 图4 R&S PWC200显示PWC天线阵列和安装在大圆切转台上的校准阵列。 图5 使用R&S PWC200测量单个20 MHz载波的EVM。 校准天线用于评估此PWC阵列各个射频信道的适当补偿，以及确定整个测试系统的路径损耗。此PWC系统是互易的，只有一个射频输入/输出端，可以连接到信号发生器、频谱分析仪或VNA，可以测量带或不带射频测试端口的设备。 图5显示借助罗德与施瓦茨公司的矢量信号发生器，针对有5个20 MHz载波（频率范围为2.35至2.45 GHz）的OFDM信号，使用此PWC测量单个载波的EVM。输出功率为5 dBm，并馈送到60 cm×60 cm的贴片阵列被测设备。解调由连接到PWC的罗德与施瓦茨公司矢量信号分析仪执行，测量范围为30.72 MHz。其EVM低至0.41％，大致相当于测量仪器的内部EVM。其他4个载波的EVM测量结果低于0.5％，这表明此PWC使测量装置增加的EVM可忽略不计。 总结 采用软件转换的近场技术适合评估EIRP和TRP的大小。当接收或解调涉及使用多个不同射频收发器的被测设备时，利用诸如CATR和PWC的硬件场转换方法可克服软件NF-FF的限制。这些硬件场转换方法也为直接远场测量提供了紧凑、可靠的替代方案，从而使它们非常适合UE和基站的3GPP 射频一致性测试。 参考文献 1. C. L. I, C. Rowell, S. Han, Z. Xu, G. Li and Z. Pan, “Toward Green and Soft: A 5G Perspective,” IEEE Communications Magazine, Vol. 52, No. 2, February 2014, pp. 66–73. 2. B. Derat, “5G Antenna Characterization in the FF,” IEEE EMC & APEMC 2018, Singapore, May 2018. 3. C. Rowell and A. Tankielun, “Plane Wave Converter for 5G Massive MIMO Base Station Measurements,” 12th Eu- CAP2018, London, U.K., April 2018. 4. Derat et al., “A Novel Technology for Fast and Accurate Specific Absorption Rate Measurement (SAR),” iWAT, Karsl- ruhe, Germany, March 2013. 5. Rohde & Schwarz, “2D Compact Range for Testing of AAS Base Stations,” TSG- RAN WG4 #87, R4-1806605, May 2018. 注：文章发表于《微波杂志》2018年9/10月刊 |
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