一種精確測(cè)量5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的新方法

天線特性

隨著5G時(shí)代來臨，多輸入多輸出(MIMO)天線陣列或“大規(guī)模MIMO”，在用戶和網(wǎng)段發(fā)展中都起著舉足輕重的作用。“大規(guī)模”的定義可以從數(shù)組元素相對(duì)較少的有源天線陣列系統(tǒng)到涉及數(shù)百個(gè)天線的設(shè)計(jì)案例。兩者的共同點(diǎn)是分布放大，波束控制和密集天線的全集成。為了準(zhǔn)確描述有源天線系統(tǒng)(ASS)，其總體性能必須在一個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的空中下載(OTA)裝置中確定，因?yàn)榭罩邢螺d(OTA)裝置可以測(cè)量空間定向功率和靈敏度曲線。因此，有源天線的性能參數(shù)測(cè)試與現(xiàn)有微型移動(dòng)設(shè)備的測(cè)試是非常相似的。

有源天線系統(tǒng)的性能參數(shù)

有源天線系統(tǒng)的性能參數(shù)主要是在遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)條件下的定向功率與靈敏度[1]，它們包含：

對(duì)于一個(gè)給定方向的天線，通過使用校準(zhǔn)過的OTA測(cè)量裝置，有效全向輻射功率(EIPR)和有效全向靈敏度(EIS)的定向性能參數(shù)都是可以測(cè)量的。定向有效全向輻射功率(EIPR)是天線增益加權(quán)的輻射功率?？傒椛涔β?TRP)是由有效全向輻射功率(EIPR)的全向集成和與天線相關(guān)的全向增益決定的。同樣地，定向有效全向靈敏度(EIS)是由天線的全向增益加權(quán)的總?cè)蜢`敏度(TIS)或總輻射靈敏度(TRS)決定的。總?cè)蜢`敏度(TIS)或總輻射靈敏度(TRS)是由集成定向有效全向靈敏度(EIS)和天線全向增益決定的。

遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件

一個(gè)普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)，定義了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)的距離是2D2/λ，其中D是天線的直徑，λ是自由空間的波長(zhǎng)[2]。電小天線，如移動(dòng)通信設(shè)備和測(cè)量天線，在遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)情況下，一般滿足并方便短距離測(cè)量。

然而，對(duì)于中等大小，或更大的AAS天線系統(tǒng)，遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)的測(cè)量對(duì)測(cè)量距離的要求是不切實(shí)際的。圖1說明2 GHz的8元陣列天線在不同近場(chǎng)(NF)距離的天線仰角方向圖，以及需要的遠(yuǎn)場(chǎng)（FF）距離?？梢杂^察到，天線仰角方向圖在可用的測(cè)量距離下是沒有完全形成的。

圖表1：2 GHz的8元陣列天線在不同的近場(chǎng)(NF)和遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)距離測(cè)得天線仰角方向圖。

一個(gè)給定天線的遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)方向圖可以使用緊縮平面場(chǎng)(CATR) [1,2]直接測(cè)量，或者使用標(biāo)準(zhǔn)近場(chǎng)(NF)測(cè)試技術(shù)[3]的近遠(yuǎn)場(chǎng)變換來決定。近場(chǎng)(NF)測(cè)量通常是在三維性能條件下優(yōu)先考慮，因?yàn)樗麄冎恍韬苄〉奈锢頊y(cè)量裝置，并且一般認(rèn)為近場(chǎng)測(cè)量更快，更準(zhǔn)確。

然而，由于功率守恒，使用校準(zhǔn)過的OTA裝置，AAS的性能參數(shù)可以在任何距離決定。遠(yuǎn)場(chǎng)(NF)到近場(chǎng)(FF)對(duì)天線增益的差異可以由近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)[3]確定和補(bǔ)充。

相位補(bǔ)償無源測(cè)量方案

由于AAS天線是一種沒有固定相位參考的有源器件，所以在遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)情況下的測(cè)量可以使用遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)的設(shè)置，如緊縮平面場(chǎng)(CATR)或近場(chǎng)(NF)范圍。使用相位補(bǔ)償技術(shù)允許近場(chǎng)(NF)到遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)的變換。

一種常見的相位補(bǔ)償方法是全息技術(shù)，在未知測(cè)量信號(hào)與穩(wěn)定參考信號(hào)之間采用不同組合。這是基于同時(shí)接收參考和測(cè)量信號(hào)首選的方法。為了準(zhǔn)確測(cè)量調(diào)制信號(hào)的相位，相位補(bǔ)償單元(PRU)的設(shè)計(jì)包含了所有必要的放大、濾波和信號(hào)組合模塊。

相位補(bǔ)償單元(PRU)的驗(yàn)證

為了模擬真實(shí)的AAS天線，使用連接到8陣元無源陣列的帶LTE協(xié)議的移動(dòng)手機(jī)，作為外部天線(見圖1)。圖2顯示使用相位補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量幅度與共極近場(chǎng)(NF)相位之間的比較。這也可以與同一天線的無源測(cè)量相比較?？梢钥闯?，測(cè)量幅度和相位的相互聯(lián)系是非常緊密的。

利用相位補(bǔ)償單元，設(shè)置BTS天線的中心頻率為1940MHz帶寬為10MHz，使用LTE調(diào)制的相位補(bǔ)償測(cè)量。由相位補(bǔ)償技術(shù)引入的誤差相當(dāng)于一個(gè)-45 dB水平的噪音。

圖表2：共極，8元陣列天線近場(chǎng)測(cè)試。使用相位補(bǔ)償單元，參考測(cè)量(左)和有源測(cè)量(右)LTE協(xié)議。幅度(頂部)，相位(底部)。

驗(yàn)證天線的有效全向靈敏度(EIS) (θ,φ)，有效全向輻射功率(EIPR) (θ,Φ)測(cè)量

為了驗(yàn)證近場(chǎng)(NF)測(cè)量方法，需要使用有效全向靈敏度(EIS) (θ,φ)和有效全向輻射功率(EIPR) (θ,Φ)的驗(yàn)證設(shè)備。由于在這個(gè)例子中8陣元天線和LTE是可分的，所以有效全向靈敏度(EIS) (θ,φ)和有效全向輻射功率(EIPR) (θ,Φ)結(jié)合設(shè)備的參考性能是由天線增益和執(zhí)行測(cè)量LTE設(shè)備的靈敏度或輻射功率決定的。

使用近場(chǎng)(NF)技術(shù)的LTE協(xié)議8元陣列天線的有效全向靈敏度(EIS)測(cè)量

8元陣列天線的有效全向靈敏度(EIS)在1940 MHz情況下使用LTE協(xié)議已經(jīng)通過近場(chǎng)(NF)測(cè)量并且和參考方案進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證這種方法。使用相位補(bǔ)償單元，在1940 MHz的中心頻率10 MHz帶寬下，EIS的仰角與方位角方向圖和近場(chǎng)(NF)測(cè)量方向圖，在圖3中進(jìn)行了比較。

和所期望的一樣，方向圖形狀在方位和仰角方面都很相似。用這兩種方法測(cè)量靈敏度為~1 dB的偏移，是根據(jù)近場(chǎng)(NF)測(cè)量和參考方案的不確定因素來判斷的。近場(chǎng)(NF)測(cè)量主要的不確定性因素：距離校準(zhǔn)、有效全向靈敏度(EIS)的靈敏度搜索精度。測(cè)量敏感性的范圍校準(zhǔn)和靈敏度的搜索精度被認(rèn)為是參考方案主要的不確定性因素。

使用近場(chǎng)(NF)技術(shù)的LTE協(xié)議8陣元陣列天線的有效全向輻射功率(EIPR)測(cè)量

8陣元陣列天線的有效全向輻射功率(EIPR)在1940 MHz情況下使用LTE協(xié)議已經(jīng)通過近場(chǎng)(NF)測(cè)量并且和參考方案進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證這種方法。使用相位補(bǔ)償單元，在1940 MHz中心頻率，10 MHz帶寬條件下：有效全向輻射功率(EIPR)的仰角和方位角方向圖和近場(chǎng)(NF)測(cè)量方向圖，在圖4中進(jìn)行比較。和所期望的一樣，方向圖形狀在方位和仰角方面都很相似。用這兩種方法在測(cè)量靈敏度為~0.5 dB的EIRP偏移，是根據(jù)與近場(chǎng)(NF)測(cè)量和參考方案的不確定因素來判斷的。

圖表3：有效全向靈敏度(EIS)對(duì)比

總結(jié)

近場(chǎng)(NF)測(cè)量技術(shù)在性能參數(shù)測(cè)量中已被證明是高效的，如測(cè)量有源天線系統(tǒng)(AAS)的有效全向輻射功率(EIPR)和有效全向靈敏度(EIS)。實(shí)現(xiàn)的相位補(bǔ)償技術(shù)能夠有效地測(cè)量大帶寬調(diào)制信號(hào)在近場(chǎng)(NF)的相位，例如LTE，并且允許近場(chǎng)(NF)和遠(yuǎn)場(chǎng)(FF)轉(zhuǎn)換。在作者看來，近場(chǎng)(NF)測(cè)量技術(shù)固有的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精確；5G設(shè)備測(cè)試的最佳方法。

圖4：測(cè)得的仰角和使用LTE 協(xié)議的8元陣列天線的方位有效全向輻射功率(EIRP) (θ,Φ)的比較

參考文獻(xiàn)