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网络分析仪进行。 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网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网络(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规范中的定义要求如下，对于每个波束，要求基于波束标识符、参考成对波束方向，波束参考方向对上的额定波束EIRP之表示、设定的EIRP精度方向、最大转向方向及其相关额定波束EIRP的成对波束方向， 和参考成对波束方向的波束宽度及最大转向方向。

3GPP定义所要求的具体精度如下：对于每个表示的波束，在正常条件下，对于与EIRP精度方向集内的成对波束方向相关的任何特定波束峰值方向，制造商要求在相应波束峰值方向的EIRP电压可以达到±2.2dB的要求价值。 此外，规范也定义了测试系统的可接受的不确定性。 因此，在测试过程中测试的要求包括最低要求和该测试不确定性(表2)。

辐射接收机特性

类似于下行链路方向的功率测量，在上行链路中，基于一个或多个OTA灵敏度方向宣告(OSDD)的表示来定义灵敏度要求。 接收机需要在特定的OTA灵敏度功率电压下实现一定的数据流通量。

有效的等方向性灵敏度(EIS)，被定义为相对于从指定的方位角/高度方向(到达角)，入射到AAS数组上的等方向性天线之功率电压，以满足指定的接收机灵敏度要求，其中角度到达可以描述为Φ和(图9)的组合。 AAS可以支持多个到达角度范围(RoAoA)，其描述天线整体着重在定向范围之能力。 对于灵敏度测试，刺激讯号与非AAS要求中目标流通量的固定参考测量信道(FRC)相同。

图9 敏感度的五个不同方向到达角度，包括OSDD的目标复位向范围。

在偏振匹配的假设下，OTA灵敏度要求适用于每个极化，这是由制造商表示AAS是否支持双极化。 如在下行的情况下，一致性要在极端方向证明标有图9的深色十字。 接收的讯号电压可以表示为场强或EIS功率电压。 场强与EIS的关系为公式1

公式1  

因应OTA测量需求 仪器商精锐尽出

目前量测仪器商已具备完善的解决方案因应OTA量测。 以R&S为例，该公司有各种各样的腔室、吸收器和测量设备作为OTA测量整合解决方案的一部分。

OTA产品的尺寸范围从机台系统到大型无响室400MHz至90GHz频段的测量能力。 根据天线数组布局/设计，不同的测量设备有两种需要的模式(但都可以使用相同的腔室，吸收器和定位器)：

1.如果是被动的天线系统(DUT具有用于直接RF讯号的外部RF端口发送和接收)，使用一个端口的向量网络分析仪DUT和测量天线的其他端口。 R&S提供二个或四个端口的网络分析仪，甚至多端口网络分析仪。

2.如果系统包括与一个整合在一起的远程无线电接头、没有外部的RF端口(AAS)的天线数组执行主动天线，可使用向量讯号发生器，以及讯号和频谱分析仪。

另一方面，针对无线和主动天线系统的OTA，R&S也备有相关解决方案，例如符合性系统，包括一系列针对符合CTIA，3GPP和其他无线标准和测试用例的UE的OTA测量的完整解决方案，使用远场测量技术。

其次是螺旋扫描仪。 螺旋扫描可用于近场和远场测量，传统的近场测量使用单个探测器，以步进的方式穿过均匀的格栅(通常在球形或圆柱形表面上)。 这种方法导致较长的测量时间(较小的网格间距以获得足够的采样)，几乎可以在3小时内测量6GHz的DUT。

但通过将探针分布在球形系统的圆弧上或沿着直线系统的线路，可以提高速度。 虽然这可以显著减少测量时间，但是使用多个探针引入了两个新问题，为增加校准时间和探针之间的相互耦合效应。

于是，R&S将两种新技术结合到其近场扫描仪系统中，以解决速度，校准和相互耦合的问题，进而发展快速不规则天线场转换算法(FIAFTA)和螺旋扫描技术。 FIAFTA是一种新的近场远场转型，允许在OTA测量系统中使用任意网格而不是统一网格。 图10显示了FIAFTA近场测量与经认可的外部实验室之远场测量相比的算法精度。

图10 FIAFTA近场精确度

近场扫描仪具有单个双极化探头(更快的校准，相互耦合)，同时沿着测量表面旋转DUT以更快的速度旋转。 这两个旋转轴的组合导致螺旋扫描可将6GHz的DUT的测量时间缩短到6分钟以内(图11)。

图11 螺旋扫描仪

接着是机台腔室和探头。 机台腔室经常用于快速天线设计和原型设计，而R&S为小型DUT提供两个机台系统，可以测量被动或主动天线系统中的3D波束图案，或测量DUT的实时波束转向和波束采集能力。

在生产在线，重点从全面的DUT分析转移到校准和更快的功能测试，而生产验证系统基于机台系统，具有某些特定测量的定制。 用于测量整个AAS单元的功能测试，可以包括使用五点3GPP方法的波束模式验证，和用于联合发射机或接收机测试之收发器的同时激发。

由于消除了RF测试端口和使用了厘米和毫米波长区域的频率，OTA将成为大规模MIMO的主动天线系统的天线数组性能的重要工具数组，但内部收发器也是如此。 因此，对OTA腔室和测量设备的需求不仅要测量天线的严格的辐射特性，而且采用传统的传统收发器测量。 为此，量测商拥有多范围的无响室和测量设备的专业知识，并且对于客户的需求，能够提供其解决方案。

(本文作者任职于罗德史瓦兹)  新电子