张瑞艳+邵哲+曹景阳

【摘 要】为了研究一套适用于大规模阵列天线有源基站的OTA测试方案，分析了近场、远近场和紧缩场三种不同的测试方案，从场地需求、测试方案、测试接口和测试结果几方面进行对比研究。研究表明，目前远近场结合方案是唯一可以实施的测试方案，其他方案均有许多问题需要解决，需要继续探索。

【关键词】3D-MIMO 有源基站 OTA测试 阵列天线

[Abstract]Large-scale array antenna has been applied to 3D MIMO products， which is one of the key techniques for 5G. In order to investigate a set of OTA test methods suitable for the active BS with large-scale array antenna， three test methods suitable for the near field， near/far field and compact filed were analyzed， and then they were compared from perspectives of chamber requirement， test procedure， test interface and test result. Research demonstrates that the method of the combination of the far field with near field is the only feasible test solution to be implemented. In contrast， there are many problems for other methods to be further investigated.

[Key words]3D MIMO active eNB OTA test array antenna

1 引言

3D-MIMO技術是5G的关键技术之一，其通过阵列天线实现MU-Beamforming，实现频谱利用率的成倍提升。3D-MIMO基站与传统基站相比，RRU部分和天线部分紧密地结合在一起，难以拆分。基站测试不得不打破原有测试方式，将射频指标和天线指标结合在一起，采用有源OTA（Over The Air，空中下载技术） 测试方案。有源OTA测试方案对原有的无源OTA测试方案提出了很多的挑战，因此高效率、低成本、高准确度的测试方案成为业界的研究焦点。

2 现有测量方案介绍

2.1 基站无源天线的OTA测试方案

基站无源天线的OTA测试方案分为近场和远场两类。其中远场是最为传统的测试方案，原理简单，但要求场地需尺寸满足远场条件。相比于远场，近场对场地尺寸要求不高，且测试效率较高，特别是球面多探头近场，一次测试可获得三维方向图，与远场相比，可以省去寻找主波束和测试切面的过程。近场测试方案在业界已经获得了普遍的认可，国内主要天线厂商都已建有自己的球面近场测试系统。球面近场测试示意图如图1所示。

近场测试方案实质上是一个相对测试方案，其天线增益指标是通过和标准天线的比较而得出的。而这种方案不太适用于有源测试方案，因为EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，等效全向辐射功率） 是绝对值的测量，且此系统目前只具备单向测量功能，不具备上行测试能力。

2.2 终端的OTA测试方案

目前终端普遍采用了有源测试方案，测试射频指标TRP和TRS。因终端的尺寸比较小，小尺寸暗室可满足远场条件。若暗室有水平测试环和垂直测试环，就可以实现手机基本不动的测试；如果暗室只有一个通信天线，就需要手机旋转360°进行测试。终端OTA测试场如图2所示：

手机终端已经具备了有源测试的方案，却无法直接用于基站的有源OTA测试。因为基站的尺寸在1 m左右，满足远场的测试环内半径需要13 m以上；若采用手机旋转方案，对重达近50 kg的设备实现360°旋转，对于夹具的要求也是非常高的，且效率比较低。

3 有源基站的OTA测试方案

有源基站OTA测试和传统的无源测试的变化在于：从有源到无源的测试，从纯天线指标测试到新增射频指标测试。尽管终端OTA测试方案已经具备了以上两点的能力，但是基站比手机的表面积大了几千倍，建造满足尺寸要求的暗室场地也是非常困难且代价昂贵的。这使得现有的基站无源天线的测量方案和终端的OTA测试方案均不能满足需求。因此对现有场地进行改进、利用现有场地的新测量方式和全新的测量方式等方法都是值得进一步探讨的。下面将介绍3种不同的测量方法并比较其优劣。

3.1 基站OTA测试的内容

有源基站OTA除了测试原有的天线指标以外，还需要增加射频指标的测试：EIRP、EVM、ACLR、EIS（Effective Isotropic Sensitivity，等效全向接收灵敏度）和ACS等指标，这些以前传导方式测量的指标转换到辐射测试之后，增加了空间的维度。本论文针对EIRP和EIS的测量问题进行分析。

3.2 近场测试方案一

（1）方案详细介绍

如前所述，传统的SATIMO近场测试方案难以适应有源测试的新要求。基于对有源基站的EIRP和EIS的测试需求，给出如图3所示的有源天线测试方案（其中测试系统的参考由BBU提供）：

测试方案描述：测试前先把转台到近场各个探头的空间路损校准后补偿到系统中，PRU接收设备的发射信号。后台分析部分数据，然后通过近远场变换，即可把近场的EIRP推算到远场，获得远场各个方向的EIRP值，目前的测量误差估计不大于1 dB。测试EIS时，PRU发射调制信号并提供参考，并通过127阵子中的任一阵子进行发射。有源设备接收信号，并将接收到的信号返回给测试接收系统。结合下行方向图的方式获取某点的EIS，但是获得EIS的点数非常有限。若要直接获得全维度的EIS，此测量方案从时间上无法接受。此方案尽管在效率上有一定的提升，但是无法获得全向的EIS信息，仍有不足之处。

以上的测试描述需要对传统的SATIMO近场进行改造，主要的改变包括4点：

1）参考信号的提取和相位恢复

目前提出了3种由有源设备提供参考信号的提取方法：

方法一：在靠近设备处增加耦合天线，耦合天线和设备保持静止，测试中随待测设备一起旋转。具体如图4所示，此方法的难点在于参考天线的安装。

方法二：从BBU和AAU的接口提取参考信号，这时候需要将CRPI接口或者其他接口信号通过信号转换设备转化成PRU部分可以识别的信号，送给PRU。具体应用方式如图5所示。此方案可以提供稳定的参考信号，其缺点是需要增加参考信号的转换设备，且对于此BBU和AAU的接口，各个厂家都有自己私有的算法，难以统一，实施难度大。

方法三：如果基站设备具备专用测试口，此测试口可以和所有发射通道同时相连，且位于天线阵子前，包含所有通路的射频信息，可以通过同轴线缆直接和PRU的Ref端口相连，提供参考，具体如图6所示。此方案可以提供稳定的参考信号且仅需增加一条线缆，简便易行，是3种方案中最优的方案。

2）测量方案的变更

无源天线在测量增益时，是根据与标准增益天线的接收电平的相对大小进行计算的，与探头接收到的电平的绝对数值无关。而EIRP的测量需要获得的是电平的实际大小，因此在数据处理时需要使用探头的接收电平的实际数值经近远场变换后得出EIRP的数值。这样的测量方式下，不能直接获取有源天线的增益数值，只能根据设备的发射功率P和EIRP的测量值再计算得到。

3）接收链路增益的改造，适应EIRP的测量要求

传统的无源天线测试，信号由测试仪表发出，功率较小，探头接收后需要经过放大单元放大后才能进入频谱仪分析处理。对于有源天线，设备的EIRP高达70 dBm以上，远远高于传统的信号源功率，因此会导致高增益接收链路饱和，无法进行准确测量，甚至导致接收低噪放损坏。

4）优化接收信号的宽带适用性

传统的SATIMO无源天线测试系统只能测试连续波（CW）信号，对于LTE的宽带调制信号无法正确接收。为此，需要改进其接收系统，使之可以适应宽带调制信号的测试。同时需要支持Trigger功能，和TD设备的收发保持一致。

（2）方案的优势

与传统球面测试场相比，改进后的球面近场测试方案具有如下突出优势：可以高效地获得设备的全向EIRP信息；可测试调制信号，不再局限于连续波测试；可直接测试有源设备的EIS值。

（3）方案的不足

上述方案的不足之处在于：天线增益，只能通过EIRP数据和设备的发射功率进行计算；对现有球面近场系统的改造较大，涉及软硬件的改造；对于EIS的测试比较复杂，需要和设备开通接口，且效率不高；每次测试只能测试某一极化的信息，无法测试设备所有通道的信息。

3.3 近远场结合测试方案

（1）方案详细介绍

近远场结合测试方案是一种将现有近场和远场组合的测试量方式，无需对场地进行改造。用近场无源测试方案快速获得设备的下行方向图，用远场测试方案快速准确地获得设备指定波束下某些点的EIRP。将两个场地的测试结果结合起来，推算获得全向EIRP。对于EIS的获取，可以由远场独立完成。矢量信号源通过标准天线发射测量信号，设备接收信号并进行测量。不同方向的EIS的获取点数也是有限的。

测试举例：

图7是在无源近场测试的有源设备的方向图，除天线的增益指标外，均为正确测量结果。天线最大增益17.22 dB，不具备意义。

将设备更换到室内远场，按照常规安装测试天线和待测设备，待测设备的安装转台需要保证设备可以左右、上下在一定的角度范围内转动。远场EIRP&EIS测试场地图如图8所示：

待测设备和测量仪表之间需要增加10 m同步和Trigger线缆，且暗室需要矢量信号分析仪和矢量信号源，以支撑射频指标EIRP和EIS的测量。基站天线是+45°和-45°两个维度，接收天线采用垂直极化，测试时所有天线同时收发。远场测试设备安装示意图如图9所示：

对于EIRP的测试：在远场测量得到设备的最大EIRP值为70 dBm。通过近场测试的方向图和远场测试的最大EIRP相结合，得到设备的全向EIRP。通过全向EIRP和设备的发射功率P，得到有源基站天线的增益G，G=EIRP-P。

对于EIS的测试：矢量信号源通过垂直极化天线发射规定信号，所有通道同时打开，进入接收模式。并进行测量EIS。

远场测试有两个关键点问题：远场测试尺寸问题：对于远场的测试第一要选择远场的尺寸，假设天线尺寸直径D=1 m，工作频率2.6 G，对应波长λ=0.115 m，按照公式计算2×D2/λ，至少需要17.5 m的场地；CW波和TM模式测试结果的等效问题：在近场为了减小对场地的改造，依然沿用CW的测量方式，在远场测试EIRP是否可以应用调制波进行测试。

针对以上两个问题，专门进行了验证测试，测试结果表明满足公式计算尺寸的远场的测量结果和理论值误差在0.2 dB左右。CW和TM模式的测试结果完全吻合。

（2）方案的优势

与近场测试方案相比，近远场结合方案具备以下优势：可以最大限度地利用现有场地进行测试，不需要对场地进行改造，节省了众多的场地改造成本和时间成本；EIS可以通过测量直接获得，不需要测量设备和测试设备通信，不需要远近场变换，简单易行。

（3）方案的不足

近远场测试方案的主要不足是测试需要变换场地，对设备进行两次安装，对EIRP的测试效率有一定的影响。

3.4 紧缩场测试方案

（1）方案详细介绍

紧缩场属于室内远场的一种，就是指在一个比远场相对紧缩的空间里产生远场天线测试时需要的平面波。信源发出的信号会先经过一个或两个反射面，反射面有一定的曲率，测试信号经过反射后形成平面波，从而满足远场条件。紧缩场利用反射面天线模拟了远场测试方案，且紧缩场测试中的发射、接收天線与待测目标之间的距离小于远场测试所需的距离，所以紧缩场所需的测试空间是小于远场测试方案的。测试时通过转台的转动搜索获取测试波束信息，得到E面和H面的二维曲线。

紧缩天线测试场的测试过程如图10所示，控制被测设备向反射面天线辐射出一个波阵面，通过合理配置被测设备和反馈天线间的距离以保证充足的隔离度，这样从设备中辐射出的球面波形在接受机处就近乎为平面波。被测设备发射的波阵面通过反射面天线将发射能力反射到反馈天线中，然后反馈天线再连接到测试仪表上，再通过测试仪表读取测试数据，这样就可完成紧缩天线测试场的测试。

（2）方案的优势

紧缩场作为一种复杂的室内远场，具有如有优势：测试精度高。紧缩场由于更符合远场条件，测试结果的精度也很好；作为远场测试方式，原理易理解，可直接获得EIRP和EIS的数值，无需进行远近场转换。

（3）方案的不足

紧缩场虽然有着测试精度高、可直接获得远场结果而无需远近场变换的优点，但缺点也很明显：

场地技术复杂、建设难度大、维护成本高昂。紧缩场在建设时需要精准地设计反射面，国内有能力建设大型紧缩场的单位凤毛麟角。巨大的反射面不仅造价昂贵，还需要定期清洁、维护，成本远高于其他测试场地。

作为远场测试方案，紧缩场也只能对单个二维测试面进行逐点扫描，测量前需要预判波束的准确指向（往往需要先搜索），无法准确测试出副瓣的位置和电平，测试速度和效率也偏低。和远场一样，无法获得全向方向图。

4 方案的比较与总结

前面章节详细介绍了有源基站OTA测试的内容和方案，每种方案各有优缺点，总结如表1所示。

以上4个方案中，近远场结合方案无需对现有场地进行改造，测试方案的准确性高，且业界的认可度最高，是现阶段可执行度最高的测试方案；传统近场改造方案可以在单一场地，通过一次测试便捷地获得测试结果，效率更高，但准确性还有待提高，且方案尚处于验证阶段，未得到业界的统一认可，待方案成熟，将是非常有前途的一种测试方案；新近场测试方案以一种全新的数据采集方法，用有限数量探头实现高效、全向测试，进一步降低了对近场尺寸的要求，目前正处于方案的论证和研发阶段，尚有很多问题需要解决，测量结果也需要详细评估，方案得到验证后，是非常不错的低成本方案。紧缩场测试方案是众多方案中最接近真正远场的测试方案，但场地费用较高，难以普遍应用。

目前，业界的研究大多集中在下行的测试方面，而对于EIS的全方位测量，以上几种方案均未能解决，对于其他射频指标的测量也尚未展开详细的论证，后续各方将继续在此方面进行研究。

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