5G基站帶外雜散OTA測試方法

一、引言

3GPP協(xié)議規(guī)定，5G基站類型按頻段[可分為FR1sub6G頻段、FR2頻段（ 24.24GHz～52.6GHz ），隨著3GPPrelease21將制定6G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將引入了新的頻譜資源，以滿足頻譜資源緊張的需求。無線基站建設(shè)也隨著頻段的增多，布局的密度也越來越大，基站之間的干擾問題越來越多，為了更好模擬實(shí)際的共址基站環(huán)境，ITU- ?R^[2] 和射頻一致性標(biāo)準(zhǔn) TS38.141-2^[3] 分別對(duì)5G基站給出了空口雜散測試的建議，并定義了相應(yīng)的OTA測試標(biāo)準(zhǔn)。目前適合基站雜散測試的電波暗室有緊縮場[4或者混響室[5]。

混響室適合多徑環(huán)境的測試，但是混響室多徑和反射效應(yīng)強(qiáng)烈，難以獲得理想、無干擾的測試結(jié)果，對(duì)高頻測試的準(zhǔn)確性有限。緊縮場可提供一個(gè)無反射、無干擾的電磁環(huán)境。無論是混響室還是緊縮場，電磁波在空間中都會(huì)有不同程度的衰減，對(duì)于共址雜散，實(shí)際雜散電平遠(yuǎn)大于指標(biāo)要求，本文就是通過增加高增益放大器和濾波模塊，解決實(shí)際信號(hào)過小而不能被頻譜儀準(zhǔn)確測量的問題。

二、基站空口雜散發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)

雜散發(fā)射測試的主要目的是測量移動(dòng)基站本身發(fā)射的最大功率載波信號(hào)在其他基站上行頻段上對(duì)相應(yīng)的共址基站的影響（如GSM、WCDMA、NR、E-UTRA基站）。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括3GPP、FCC、ETSIEN和CISPR等國際規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備在特定頻段外的雜散發(fā)射限值范圍和測試環(huán)境規(guī)范。嚴(yán)格的測試實(shí)施有助于驗(yàn)證設(shè)備的電磁兼容性和共存能力，確保多設(shè)備基站共址條件下符合規(guī)范。根據(jù)3GPP空口射頻測試協(xié)議38.141-2章節(jié)6.7.5雜散發(fā)射的定義，移動(dòng)基站雜散包括通用雜散（GeneralSpuriousEmissions）、共存雜散（Co-Existence SpuriousEmissions）和共址雜散（Co-LocationSpuriousEmissions）。其中，通用雜散發(fā)射頻段為 30MHz～26GHz 。雜散發(fā)射規(guī)范如表1所示，類型A功率幅度上限為 -13+XdBm ，類型B功率幅度上限為30MHz～1GHz 為 -36dBm ， 1GHz～26GHz 為 30+X dBm，這兩種類型由緊縮場或者混響室用常規(guī)頻譜分析儀就能完成測試。但是測試共址雜散時(shí)，其最高電平要求為 -113.9dBm ，測試要求將更加嚴(yán)苛。在這種情況下，對(duì)選擇測試方案和頻率分析儀的動(dòng)態(tài)范圍頻譜儀底噪都提出了很高的要求。

三、空口雜散測試方案

（一）混響室通用雜散測試方案

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，由升降轉(zhuǎn)臺(tái)、旋轉(zhuǎn)葉片、參考天線、接收天線、反射墻面構(gòu)成。通過旋轉(zhuǎn)葉片的擺動(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，這樣就可以獲得大量的不相關(guān)采樣數(shù)據(jù)。混響室的一大優(yōu)點(diǎn)就是空間利用率很高、重復(fù)性和穩(wěn)定性好，攪拌良好的混響室可以非常穩(wěn)定地測量TRP。混響室TRP計(jì)算公式如下：

表1通用雜散發(fā)射指標(biāo)

其中， η 為基站一體化天線輻射效率， M₁^（r） 為失配系數(shù)， P^（r） 歸一化功率值， P_BS 定義如下：

U_BS 是基站在射頻打開測量接收的電壓，混響室采集多個(gè)不相關(guān)的樣本值進(jìn)行平均就可以得到TRP值。本實(shí)驗(yàn)通用雜散測試采用的混響室尺寸為： 4.43m （L）×3.34m （W） ×52.91m （H）。

根據(jù)自由空間傳播損耗公式：

F 為頻率， D 為測試距離，頻率越高，距離越遠(yuǎn)，損耗越大。假設(shè) F=3.5GHz ， EIRP=77dBm ， D=1m 1 _OSS=-43.33dB ；實(shí)際接收功率為 33.67dBm ，F(xiàn)SW26儀表不開預(yù)放底噪大概為 -159dBm/Hz ，歸一化到 1MHz 儀表底噪典型值為： 99dBm/1MHz ，根據(jù)空口損耗儀表最終底噪為： 54.67dBm/1MHz 。根據(jù)章節(jié)2中提及的測試標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)測試類型A和B雜散測試，儀表完全能測到3GPP對(duì)于雜散的測試要求。當(dāng)測試共址雜散發(fā)射時(shí)（最高電平指標(biāo)為 -113.9dBm ），要求頻譜儀有較低的底噪。按照上述測試條件，將頻譜儀底噪歸一化到 100kHz ，即為 -109dBm/100kHz ，若將儀表預(yù)放打開，最終底噪在 -120dBm/100kHz 左右。實(shí)際空口環(huán)境測試中的儀表底噪為 -120dBm/100kHz+43.33 ，即為 -76.67dBm/100kHz 。考慮到路徑損耗和測量余量，在實(shí)際測試中頻譜儀底噪大于 -76.67dBm/100kHz 。如果采用電波混響室測試方案，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)共址雜散發(fā)射（ -113.9dBm/100kHz ）的準(zhǔn)確測量。

（二）CATR空口共址雜散測試方案

緊縮場是通過拋物面反射器將被測天線發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)平面波，模擬遠(yuǎn)場條件。整個(gè)空間覆蓋吸波材料，可以最大限度地消除電磁波的反射，可以為雜散發(fā)射提供一個(gè)無干擾的測試環(huán)境，他是通過球面掃描若干點(diǎn)EIRP，根據(jù)公式計(jì)算TRP值，天線一體化基站球面笛卡爾坐標(biāo)定義：

EIRP（θ_n，?_m） 這是在離散點(diǎn) （θ_n，?_m） 上的等效全向輻射功率。它代表天線在這些特定方向上的輻射強(qiáng)度，這里認(rèn)為參考角步長 Δ?_ref 和 Δθ_ref 不能小于 15^° ，當(dāng)直徑小于約四個(gè)波長時(shí)， 15^° 步長由公式（5-6）得出

從上面公式可以看出，使用精細(xì)的分辨率掃描整個(gè)球面，將得到更精確的TRP值，這樣就需要耗費(fèi)大量時(shí)間，嚴(yán)重影響測試效率。根據(jù)公式（3）可得， 3.5GHz 頻段自由空間損耗接近 43.33dB ，即使外接放大模塊難以使用頻譜儀準(zhǔn)確測量結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)按照3GPP章節(jié)6.7.5.5要求，分對(duì)CLTA（Co-LocationTestAntenna）7個(gè)位置分別測試，所用CATR尺寸為 10.66m （L）×7.67m（W）×5.08m（H） ，頻段范圍為 0.69GHz～6GHz

根據(jù)DNAL公式： P_noise=-174dBm/Hz+NF+（NF-1）/ Gain，可以看出，外接LNA并不能降低儀表底噪，也不能增加儀表動(dòng)態(tài)范圍，如果LNA有差的噪聲系數(shù)，還將提高儀表的DNAL。但是在儀表底噪下限時(shí)，通過外接LNA可以降低動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)的儀表底噪。Colocation雜散測試采用的是雙工器和低噪聲系數(shù)的高增益放大器，采用高抑制度雙工器，頻率范圍覆蓋 n78 （ 3.4GHz～3.8GHz ），如圖1所示，用傳導(dǎo)測試方法將天線口連接射頻同軸線，然后通過雙工器將輸出信號(hào)一分為二，通過TX通帶鏈路端口被負(fù)載吸收。RX帶阻鏈路載波信號(hào)經(jīng)過 -80dBc 抑制后經(jīng)LNA（ 0.1GHz～6GHz ，30dB增益，NF為 1.2dB ）低噪放連接到帶阻濾波器，最后通過頻譜分析儀測試。此時(shí)，儀表預(yù)放不打開和外接LNA儀表最大底噪為：-159dBm/Hz+1.2dB ，即為 -107.8dBm/100kHz 。假設(shè)考慮雙工器5dB插損和 5dB 線損或ATT在5dB左右，則頻譜儀底噪為 -97dBm/100kHz ，通過外接LNA，儀表最終底噪為 -107.8dBm/100kHz ，此時(shí)儀表預(yù)放打開，底噪為 -120dBm/100kHz 左右，完全可以測到 -113.9dBm/100kHz ，所以測試方案滿足測試需求。實(shí)際測試過程中，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整ATT和使用不能增益的LNA，只要ATT小于LNA增益的情況下，都可以滿足動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)底噪的調(diào)整。

圖1CATR共址雜散連接示意圖

（三）帶外雜散發(fā)射數(shù)據(jù)分析

根據(jù)混響室和緊縮場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，測試的準(zhǔn)確性和選擇合適的測試方法5對(duì)測試結(jié)果影響非常大，混響室可以快速測試通用雜散和共址雜散需求，緊縮場可以最大限度地提供無干擾環(huán)境共址雜散的測試。

但是電磁波在自由空間的多徑效應(yīng)，按照混響室測試方法無法測試真實(shí)的雜散要求，只能通過雙工器和低噪放、濾波器的方法，解決頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)底噪不足的問題。

四、結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果展示了OTA雜散發(fā)射混響室和緊縮場測試結(jié)果，混響室可以在較小空間模擬復(fù)雜多徑傳播環(huán)境，適用于指標(biāo)要求不高的通用雜散和共址雜散測試，但是混響室無法模擬自由空間的遠(yuǎn)程特性，不能提供高精度方向性測試。緊縮場相對(duì)于混響室可以模擬遠(yuǎn)場特性，提供高精度方向性測試，但是測試空口衰減大，提高了頻譜儀的底噪，只能通過外加雙工器和高增益低噪聲系數(shù)LNA、濾波器去降低頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的底噪，相對(duì)于傳導(dǎo)測試，環(huán)境的變化和器件的性能直接影響測試結(jié)果，同時(shí)更低的雜散發(fā)射要求，對(duì)頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍和底噪性能提出了更高的要求，但是在測試共址雜散時(shí)，測試不同接收頻段需要更換對(duì)應(yīng)頻段的天線，降低了測試效率，如果提供多頻段一體化天線，將會(huì)極大增加測試效率。

通過放置不同的天線位置，測試接收天線功率電平。

作者單位：李勇 浙江大學(xué) 諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司虞小鵬 浙江大學(xué)韓持宗冉君諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司

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