5G 基站天線一體化空口性能測試場適用性分析

喻春，王成宇，胡波

（重慶信息通信研究院，重慶，401336）

0 引言

對(duì)5G 基站天線而言，天線與RRU 集成在一起，一方面電磁耦合、有源駐波等干擾因素不能完全消除；另一方面，有源天線的校準(zhǔn)及幅相加權(quán)是通過各個(gè)射頻通道上的一系列有源器件配合完成的，與無源天線陣列通過無源的功分網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行幅相加權(quán)的方式差別很大。所以對(duì)于采用了大規(guī)模MIMO 有源天線技術(shù)的5G 基站而言，一體化OTA 測試方式才能有效反映其性能指標(biāo)。尤其到了毫米波頻段，頻段更高，設(shè)備尺寸更小，電磁干擾問題更加突出，拆分測試已不具實(shí)用意義，只能采用一體化OTA 測試方案。

1 測試需求與標(biāo)準(zhǔn)

（1）測試需求

對(duì)于5G 頻段，目前我國僅對(duì)FR1 中的頻段進(jìn)行了分配，其中中國移動(dòng)使用2515MHz-2675MHz（頻段號(hào)為n41）和4800MHz-4900MHz（頻段號(hào)為n79）；中國電信使用3400MHz-3500MHz（頻段號(hào)為n78）；中國聯(lián)通使用3500MHz-3600MHz（頻段號(hào)為n78）；廣電網(wǎng)絡(luò)使用700MHz 頻段。

從頻譜劃分來看，n41 頻段使用到100MHz 的帶寬，n78 是全球主要頻段，目前很多國家的5G 試點(diǎn)均采用n78的3.5GHz 頻段，電信和聯(lián)通采用共建站的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署，則單個(gè)基站帶寬達(dá)到200MHz，因此測試來看需要場地和儀表滿足大帶寬的測試需求。

（2）測試方法標(biāo)準(zhǔn)

目前關(guān)于5G 基站天線的國際標(biāo)準(zhǔn)有：3GPP TS 38.141-1《NR Base Station (BS) conformance testing Part 1:Conducted conformance testing》，NR基站傳導(dǎo)性能測試；3GPP TS 38.141-2《NR Base Station (BS)conformance testing Part 2:Radiated conformance testing》，NR 基站輻射性能測試；以及等同的ETSI TS 138.141-1/138.141-2。

作為5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定者，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定了type 1-C/1-H/1-O/2-O 四種從物理結(jié)構(gòu)和頻率劃分上的基站類型。FR1 sub6G 頻段內(nèi)的1-C 類型單通道基站到天線的連接，1-H 為基站通過功分網(wǎng)絡(luò)多通道連接至天線陣列，1-O 類型為天線、功分網(wǎng)絡(luò)與射頻單元完全一體化的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R2 毫米波頻段內(nèi)為2-O 類型一體化的基站。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基站整機(jī)傳導(dǎo)和空口的測試方法以及技術(shù)指標(biāo)要求，也明確規(guī)定了不同基站類型所需測試的指標(biāo)參數(shù)。

2 5G 基站天線空口性能測試場地

5G 基站標(biāo)準(zhǔn)中定義的1-C、1-H、1-O、2-O 共4 種類型的基站，其中1-H、1-O、2-O 需采用空口OTA（over the air）的方式進(jìn)行測試。特別是FR1 頻段的1-O 類型和FR2 頻段的2-O 類型基站全部指標(biāo)需采用OTA 測試。采用OTA 測試方式，自然需要電波暗室，常見的測試場有室內(nèi)遠(yuǎn)場、緊縮場、近場、電波混響室這幾類。前三種均在全電波暗室環(huán)境下進(jìn)行，而電波混響室則是一個(gè)電大尺寸且具有高導(dǎo)電反射墻面構(gòu)成的屏蔽腔室。幾類電波暗室對(duì)于5G 基站天線的測試各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同的電波暗室適用于不同的性能指標(biāo)測試。

（1）室內(nèi)遠(yuǎn)場

圖1 室內(nèi)遠(yuǎn)場

室內(nèi)遠(yuǎn)場以在一個(gè)全電波暗室的空間內(nèi)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)收發(fā)的直接測試方式，收發(fā)距離需至少滿足遠(yuǎn)場距離d=2D2/λ，其中d 為發(fā)射天線到接收天線的距離，D 為被測天線的口徑，λ 為被測天線發(fā)射電磁波的波長。以3.5GHz 的天線，尺寸口徑為0.8 米為例，遠(yuǎn)場距離則大約需要15 米，暗室尺寸長寬高預(yù)計(jì)約為20×10×10 米。如果頻率低一些，天線尺寸會(huì)更大，則暗室尺寸則需要更大才能滿足測試條件。因此室內(nèi)遠(yuǎn)場需要滿足不同天線的測試需求，則需要做得足夠大，建設(shè)成本較高。

（2）近場

被測天線與參考天線間的距離d ≤2D2/λ 或10λ，此類場地的優(yōu)點(diǎn)是占用空間小、建設(shè)成本相對(duì)較低。具有代表性的近場是MVG 公司的球面近場多探頭測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)通過多探頭的快速切換和測試天線繞方位軸步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，能夠快速測試被測天線的球面近場幅度和相位數(shù)據(jù)。球面近場測試方式目前僅可用CW（連續(xù)波）模式下的方向圖測試，調(diào)制信號(hào)的測試暫未驗(yàn)證其可行性。

圖2 球面近場

（3）緊縮場

緊縮場屬于遠(yuǎn)場的測試方式，它利用反射鏡或透鏡把位于焦點(diǎn)處的饋源發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)換為平面波，從而實(shí)現(xiàn)有限物理空間內(nèi)的遠(yuǎn)場測試。參考天線與被測天線的距離較直接遠(yuǎn)場可以縮短，但測試動(dòng)態(tài)范圍比直接遠(yuǎn)場小。緊縮場的靜區(qū)大小受反射面大小影響，因此要獲得足夠大的靜區(qū)，其反射面成本較高，所以整體建設(shè)成本和維護(hù)成本也較高。

（4）電波混響室

電波混響室是一個(gè)電大尺寸且具有高導(dǎo)電反射墻面構(gòu)成的屏蔽腔室，腔室中通常安裝一個(gè)或幾個(gè)機(jī)械式攪拌器或調(diào)諧器，通過攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)改變腔室的邊界條件，進(jìn)而在腔室內(nèi)形成統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性和隨機(jī)極化的電磁環(huán)境。所以混響室可用于多種涉及輻射場的測試，其中就包括天線效率、輻射功率等。相較于傳統(tǒng)電波暗室，其對(duì)于5G 基站天線輻射功率的測試高效且成本較低，比較適合用于各類輻射功率指標(biāo)的測試。

圖3 緊縮場

圖4 電波混響室

3 5G 基站天線性能測試指標(biāo)

由于5G 基站天線相較于傳統(tǒng)2/3/4G 的天線，將RRU與天線“合二為一”，集成度更高，性能指標(biāo)的測試也更加復(fù)雜。因此對(duì)于其性能測試需要將整體進(jìn)行“一分為二”，一體化天線方向圖和OTA 性能兩部分。其中天線方向圖相較于傳統(tǒng)板狀無源天線，測試原理類似，測試儀表由網(wǎng)絡(luò)分析儀變?yōu)轭l譜分析儀，本文不再進(jìn)行技術(shù)分析，可參考傳統(tǒng)無源天線的測試方法測試方向圖。

5G 基站天線OTA 性能分發(fā)射指標(biāo)、接收指標(biāo)兩部分，相較于傳統(tǒng)基站指標(biāo)而言，衡量其指標(biāo)的方式由傳導(dǎo)的方式變?yōu)榱丝湛冢∣TA）的方式。業(yè)內(nèi)一般稱為輻射發(fā)射指標(biāo)、輻射接收指標(biāo)。

輻射發(fā)射指標(biāo)有EIRP（等效全向輻射功率）、TRP（總輻射功率）、EVM（矢量幅度誤差）、ACLR（臨道功率抑制比）、發(fā)射機(jī)雜散、發(fā)射機(jī)互調(diào)等；輻射接收指標(biāo)有EIS（等效全向靈敏度）、ACS（臨道選擇性）、ICS（帶內(nèi)選擇性）阻塞、接收機(jī)雜散、接收機(jī)互調(diào)等；各類OTA 性能指標(biāo)的測試因?yàn)镺TA 的方式相較于傳統(tǒng)的傳導(dǎo)方式測試有所不同。

4 5G 基站天線性能發(fā)射指標(biāo)分析

5G 基站輻射發(fā)射性能，對(duì)于發(fā)射機(jī)主要為下行指標(biāo)，下行指標(biāo)的測試內(nèi)容主要為功率、頻率誤差、幅度誤差、占用帶寬等，其測試方式采用特定的波束方向測試、球面網(wǎng)格點(diǎn)兩種不同測試范圍。如表1 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)列出了各指標(biāo)評(píng)價(jià)方式和測試范圍，TRP（總輻射功率）的測試按照3GPP TS 38.141-2 中規(guī)定的網(wǎng)格點(diǎn)的所有EIRP，然后按公式1 進(jìn)行計(jì)算：

表1 發(fā)射指標(biāo)評(píng)價(jià)方式

其中N 和M 為球坐標(biāo)系上θ 和φ 角度上測試點(diǎn)個(gè)數(shù)，EIRP（θn,φm）為每個(gè)單獨(dú)的測試點(diǎn)，采樣角度間隔根據(jù)天線大小和頻率確定。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)射指標(biāo)，EIRP、EVM 等指標(biāo)OTA 測試時(shí)需要在電波暗室環(huán)境條件下測試特定波束方向上的射頻指標(biāo)即可，測試方法和傳導(dǎo)射頻測試方式類似。然而TRP 測試則需要測試以5G 基站天線為球心的三維球面上各個(gè)采樣點(diǎn)的EIRP，最后通過公式(1)進(jìn)行計(jì)算得出TRP。對(duì)于此種TRP 測試方式，則是需要在室內(nèi)遠(yuǎn)場、緊縮場等較大暗室空間中進(jìn)行，測試精確度高，對(duì)整個(gè)測試項(xiàng)目周期耗時(shí)較長。因此在保證測試精度的情況下，為了縮短測試項(xiàng)目周期，TRP 的測試可以選擇測試效率更高的電波混響室作為1GHz以上的頻率范圍的測試場地。

電波混響室可以較大縮短測試周期，但僅限于在高頻部分且只針對(duì)5G 基站天線本身發(fā)出的輻射功率進(jìn)行測試。共址雜散以及極限溫度條件下的輻射功率測試，均需要有足夠大的靜區(qū)安裝共址天線和溫度罩進(jìn)行測試，另外互調(diào)測試同樣需要共址天線饋入互調(diào)信號(hào)。因此對(duì)于這幾個(gè)測試指標(biāo)仍需選擇室內(nèi)遠(yuǎn)場、緊縮場等擁有較大靜區(qū)的電波暗室作為測試環(huán)境。

5 5G 基站天線性能接收指標(biāo)分析

接收指標(biāo)也叫做上行指標(biāo)，是衡量5G 基站接收用戶終端信號(hào)的能力，主要從兩個(gè)方面驗(yàn)證。一是在基站接收信號(hào)吞吐量不低于95%的信號(hào)電平要足夠低，二是在受到主頻周圍大干擾信號(hào)時(shí)，吞吐量需保持不低于95%的水平。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接收指標(biāo)除接收機(jī)雜散外，其余指標(biāo)只需在特定波束方向上測試即可，見表2。

表2 接收指標(biāo)評(píng)價(jià)方式

EIS 測試時(shí)，作為發(fā)射端，發(fā)送信號(hào)大小均比較低，各類場地的測試環(huán)境均可滿足要求。對(duì)于臨道選擇性、阻塞等類型的指標(biāo)測試，則需要保證足夠的鏈路增益，以確保干擾信號(hào)達(dá)到作為接收端的5G 基站天線口面時(shí)，功率滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大小，因此可以考慮單探頭近場（鏈路損耗最小）、室內(nèi)遠(yuǎn)場、緊縮場這幾種測試方式。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，阻塞和臨道選擇的干擾信號(hào)功率大小在-50～-60dBm 范圍左右，室內(nèi)遠(yuǎn)場根據(jù)15 米的距離，則可以計(jì)算出損耗在67dB 左右，緊縮場則因?yàn)槁窂骄嚯x更近，損耗預(yù)計(jì)為60dB 左右。從干擾信號(hào)功率大小和測試場地路徑損耗分析，室內(nèi)遠(yuǎn)場和緊縮場則需要加功放才能滿足要求，而單探頭近場則可以縮短收發(fā)距離，不需要再額外增加路徑中的放大器。其中共址阻塞和帶外阻塞，需要安裝共址天線和頻帶外的發(fā)射天線，因此考慮單探頭近場和室內(nèi)遠(yuǎn)場的方式作為可選的測量方式。

6 結(jié)束語

本文從5G 基站天線性能空口一體化測試的標(biāo)準(zhǔn)條款中，逐個(gè)測試項(xiàng)目分析不同測試場地的適用性，得出表3 中的不同指標(biāo)參數(shù)參考的測試場地。可以看出5G 基站天線性能測試由于采用OTA 空口測試，導(dǎo)致了測試相較于2/3/4G基站天線更加復(fù)雜和繁瑣，單個(gè)類型的場地已不能完全滿足5G 基站天線的性能測試，需綜合各類型場地的優(yōu)勢滿足不同的性能指標(biāo)的高精度、高效率測試。本文分析得出了不同性能指標(biāo)測試的場地優(yōu)勢，為5G 基站天線一體化空口性能的高效測試提供參考。