适用于5GOTA射频测试的动态赋形紧缩场研究及其应用.docx

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适用于5GOTA射频测试的动态赋形紧缩场研究及其应用

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摘要：由于5G引入大规模天线MassiveMIMO和毫米波技术，4G时期采用传导测试的方式已经无法满足5G基站测试需要，因此5G基站射频指标测试转向采用OTA空口测试方法。本文在分析大型紧缩场测试方法的基础上，介绍了一种能够支持Sub6GHz5G基站测试的小型化、低成本的新方法，即动态赋形紧缩场的测试方法。通过从原理到实际验证的阐述，说明该方法能够满足3GPP规范要求的全部5G基站射频指标测试，能够大幅降低场地要求和构建成本，显著提升测试效率，为5G基站测试提供一种全新的测试解决方案。该方案已经在3GPPRAN4#90B会议上一致通过，并将写入TR37.843测试规范中。

关键词：动态赋形紧缩场，平面波，射频指标，OTA，5G

1引言

近期，工业和信息化部颁发了5G牌照，标志着中国进入5G商用阶段，即将开展大规模5G网络部署。由于5G引入大规模天线MassiveMIMO技术，Sub6GHz频段的5G基站天线射频通道数为64个，天线阵子数更是上升到192天线。天线之间采用联合波束赋形算法，使得传统的传导测试不能完全测量出基站的实际使用性能，所以只能采用空口OTA测试方式。空口OTA测试是在基站处于安装完整的状态下进行测试，不对基站有任何的修改或拆解，更能从整机的角度考察基站指标。

OTA测试方法主要有直接远场（DirectFarfield）、近场远场转换（NF2FF）和紧缩场（CompactAntennaTestRange）三大类。第一类为直接远场方法，以3.5GHz频段5G基站测试要求为例，远场条件2D2/λ，以现有基站尺寸1m×1m计算，其远场条件至少为46.6m，暗室的长、宽、高一般需要70m×35m×35m以上的完整空间，对建筑物和场地要求极高，投资成本高昂；第二类为近场远场转换方法，大多适用于无源天线测试，还不能满足5G基站有源相控阵天线的测试；第三类是紧缩场方法，目前被广泛应用于基站测试，紧缩场暗室的长、宽、高一般需要10m×5m×5m以上，其反射面的重量约为1～2吨，对建筑物高度、场地条件、地面承重也有较高的要求，建造周期一般为6～12个月，需要恒温、恒湿条件，综合造价至少在千万元以上级别。上述方案均存在场地要求高、成本造价高、建设难度大、运行测试效率低等问题。

本文阐述了一种适用于基站和一般通用天线的测试系统，即动态赋形紧缩场（DynamicBeamformingCompactRange，DBCR），并对其进行理论分析，说明测试区域的频段和静区性能动态调整方式，以及系统验证方法和测试前的校准方法。在介绍动态赋形紧缩场的适用范围、静区仿真和实测数据的基础上，给出系统的不确定度。2018年，5G推进组组织开展的5G研发技术试验中，针对3.5GHz频段的基站射频指标测试已采用本文介绍的动态赋形紧缩场OTA测试系统。

2平面波生成理论

动态赋形紧缩场的理论基础是平面波的产生（PlaneWaveGenerate），平面波产生由N个元素的天线阵列排布组成，调整天线阵列中每个阵子的幅度和相位权值ω，经过计算和优化，可在离天线阵距离为d的平面区域内，拟合出平面波。该平面波区域内幅度近似一致，相位近似相等。

如图1所示，在xz平面上，存在着N个天线组成天线阵列，为m行n列，距离其d平面区域内形成测量静区，其区域内幅度相同，相位相等。

图1平面波生成原理

在距离d的平面上，其每个点的电场强度可由阵子天线发射的初始幅度相位表示。假设每个阵子天线为标准偶极子天线单元，极化延z轴，则平面内的电场Ez可表示为：

其中，xm、zm为静区d的坐标。这个公式的目标是找到每一个天线阵子n的权重ωn，使其最终得到的Ez幅度相同，相位相等。在做权重ωn的计算时，可以选择各种优化方法，如矩阵求逆、凸优化、遗传算法、最小二乘法等。

3动态赋形紧缩场测试系统

动态赋形紧缩场测试系统包括微波暗室、转台及DBCR设备。DBCR包括幅度相位调整单元、天线、机械安装部分，在需要时可增加功率放大器。测试及校准仪表被放置在微波暗室的外面，通过光纤传递数据。由网线传递数据必须通过滤波器，否则会破坏微波暗室的屏蔽性能。DBCR的天线阵列放置在暗室的内部，转台安装在设计的静区内，且静区的中心到DBCR天线阵面的距离R需要根据算法设定，以保证被测物在整个测试过程中，均处于静区之中（见图2）。动态赋形紧缩场的工作带宽受限于调相网络的工作频段，目前DBCR的测试系统可完整支持从2G～6G的全频段测试，测试过程中更换频段完全由软件控制，只需更改置入DBCR中的幅相数据即可实现测试频段的转换。

图2动态赋形紧缩场系统连接图

动态赋形紧缩场可以在设定的区域内生成平面波，以