5G大规模MIMO天线阵列3D OTA测试

5G将使用多天线技术，通过结合增强的空分复用为多个用户提供数据，称为大规模MIMO。一个结论是不能采用传导方式评估辐射方向图性能，因此必需通过OTA方式。本文介绍使用OTA测试装置测量天线三维方向图的技术要点。

即将推出的5G标准在获得更低运营成本(OPerational EXpenses, OPEX) 的同时确保更高的吞吐率、更多的容量和实现的灵活性。其他目标包括超可靠低延迟通信(ultra Reliable Low  Latency Communications, uRLLC) 和大规模机器类型通信(massive Machine Type Communications, mMTC)。软件定义网络(Software Defined Network, SDN) 和大规模MIMO 多天线场景很可能是实现这些目标的技术选择。

为了获得更高的吞吐率必须有更宽的带宽支撑，5G 系统将使用厘米波和毫米波范围的频率。这种方案的一个缺点是自由空间路径损耗将更大。提供更高天线增益的天线阵列可以补偿自由空间路径损耗。与900MHz 相比，为了在28GHz 频率上保持相同的接收功率，意味着天线增益要增加30dB。使用大量天线单元并控制能量方向，称作波束赋形，可以实现这个目标。

波束赋形技术通过分配给每个用户设备(UE) 的信号只瞄准相应的单个用户设备，显著降低了能量消耗。而没有使用波束赋形的基站，未被UE 接收的能量可能对相邻的多个UE 产生干扰，或者被直接丢弃。

诸如LTE 或WLAN 等的当前标准采用MIMO，通过空分复用获得较高容量。多用户MIMO 技术使用波束赋形，通过同时发送数据到不同的多个UE，扩展了MIMO。术语大规模MIMO 根据硬件配置和信道条件，以动态方式描述波束赋形和多天线空间复用的组合（参见图14）。

图14：大规模MIMO：波束赋形和空分复用组合。

大规模MIMO面临的挑战

虽然大规模MIMO具有许多优点，但也存在一些挑战，包括：

大规模MIMO遭遇的挑战还来自如何去表征信号，测量天线阵列功率的要求不曾在传统使用电缆传导接口的场合出现过。

有意义的表征只能使用OTA (Over-The-Air) 测试实现。主要因为：成本、高频率下进行耦合带来的高插损等原因使得电缆测试方法不可行；以及大规模MIMO 系统将无线收发器集成到天线中，这导致失去射频测试端口。这种模式改变的结果是什么？

3D OTA测量

过去，将功率作为时间、频谱或编码（CDMA 系统）的函数进行测量。波束赋形的到来增加了另一个维度：空间或功率相对于离开方向。图15 给出功率测量示例。空中测量参数可以分为两大类：研发、认证或一致性测试对于被测设备辐射特性的完整评估，以及生产中的校准、验证和功能测试。

图15：作为时间、频率、编码和空间的函数的功率测量。

天线设计者关心的主要测试参数包括增益图、辐射功率、接收机灵敏度、收发器/接收器特征和波束控制/波束跟踪，其中任何每一项都会影响OTA测量。然而，由于大规模MIMO 使用的频率，更为关注波束控制/波束跟踪。虽然现在的蜂窝技术使用静态波束图特征，毫米波系统将需要动态波束测量，以便精确表征波束跟踪算法和波束控制算法。

生产测试

一致性和生产测试包括很多方面。

特别重要的有三方面：

• 天线/相对校准：为了实现精确波束赋形，射频信号路径间的相位差必须小于 ±5°。可以使用相位相干接收机执行该测量，以便测量所有天线单元间的相对误差。

• 5点波束测试：根据3GPP 要求，有源天线系统(Active Antenna System, AAS) 制造商要为每个声称的波束规定波束方向、最大EIRP 和EIRP 门限值。除了最大EIRP 点外，在声称的门限值边界处测量四个附加点，即，具有最大EIRP 的中心点，以及公布的左边、右边、顶部和底部边界的其余4 个点，如图16 所示。

• 最终的功能测试：在生产环节完全组装好的模块上执行，包括简单的辐射测试，5点波束测试和收发器联合功能测试，例如所有收发器打开时的误差矢量幅度(EVM)测量。

图16：基于制造商公布的5 个测量点的5点测试。

近场测量和远场测量

OTA测量系统可以根据取样辐射场的哪一部分来分类。图17 给出来自基站天线阵列（工作在2.70GHz 具有均匀激励的8个圆形微带天线贴片）的近场和远场。近场区和远场区由Fraunhofer 距离R = 2×D2 /λ 定义，其中D 是最大天线口径或尺寸。在近场区，在小于R 的距离处，场强由感应分量和辐射分量组成; 而在天线的远场区仅有辐射分量场强。

图17：来自基站天线阵列的电磁场。

对于到远场区的数学变换，需要精确测量包围被测设备三维表面上的相位和幅度，由此产生天线的2