本文刊登于《微波射頻技術(shù)》雜志 2015無線射頻專刊

理解和操作新的5G技術(shù)需要跳出常規(guī)的思維

有源天線系統(tǒng)(AAS)作為即將到來的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的組成部分，越來越受關(guān)注。這些網(wǎng)絡(luò)具有靈活的輻射模式，能夠自適應(yīng)不同的環(huán)境。為了獲得三維空間中有源天線系統(tǒng)(AAS)的所有特性，需要一種新的有源天線測量方法。本文采用一種全新方法來快速準確獲取有源天線系統(tǒng)的特性。

天線特性

隨著5G時代來臨，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)組元素相對較少的有源天線陣列系統(tǒng)到涉及數(shù)百個天線的設(shè)計案例。兩者的共同點是分布放大，波束控制和密集天線的全集成。為了準確描述有源天線系統(tǒng)(ASS)，其總體性能必須在一個經(jīng)過校準的空中下載(OTA)裝置中確定，因為空中下載(OTA)裝置可以測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)測試與現(xiàn)有微型移動設(shè)備的測試是非常相似的。

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)主要是在遠場(FF)條件下的定向功率與靈敏度^[1]，它們包含：

•     有效全向輻射功率— EIRP(θ,Φ)
•     總輻射功率— TRP
•     有效全向靈敏度— EIS(θ, φ)
•     總?cè)蜢`敏度(TIS)或者總輻射靈敏度(TRS)
•     天線方向增益— G(θ, φ)

對于一個給定方向的天線，通過使用校準過的OTA測量裝置，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。總輻射功率(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。

遠場測量條件

一個普遍接受的標準，定義了天線的遠場(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^[2]。電小天線，如移動通信設(shè)備和測量天線，在遠場(FF)情況下，一般滿足并方便短距離測量。

然而，對于中等大小，或更大的AAS天線系統(tǒng)，遠場(FF)的測量對測量距離的要求是不切實際的。圖1說明2 GHz的8元陣列天線在不同近場(NF)距離的天線仰角方向圖，以及需要的遠場（FF）距離。可以觀察到，天線仰角方向圖在可用的測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(NF)和遠場(FF)距離測得天線仰角方向圖。

一個給定天線的遠場(FF)方向圖可以使用緊縮平面場(CATR) [1,2]直接測量，或者使用標準近場(NF)測試技術(shù)^[3]的近遠場變換來決定。近場(NF)測量通常是在三維性能條件下優(yōu)先考慮，因為他們只需很小的物理測量裝置，并且一般認為近場測量更快，更準確。

然而，由于功率守恒，使用校準過的OTA裝置，AAS的性能參數(shù)可以在任何距離決定。遠場(NF)到近場(FF)對天線增益的差異可以由近遠場轉(zhuǎn)換技術(shù)^[3]確定和補充。

相位補償無源測量方案

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

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

相位補償單元(PRU)的驗證

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

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

圖表2：共極，8元陣列天線近場測試。使用相位補償單元，參考測量(左)和有源測量(右)LTE協(xié)議。幅度(頂部)，相位(底部)。

驗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)測量

為了驗證近場(NF)測量方法，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)的驗證設(shè)備。由于在這個例子中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)行測量LTE設(shè)備的靈敏度或輻射功率決定的。

使用近場(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(NF)測量并且和參考方案進行比較，以此來驗證這種方法。使用相位補償單元，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(NF)測量方向圖，在圖3中進行了比較。

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

使用近場(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(NF)測量并且和參考方案進行比較，以此來驗證這種方法。使用相位補償單元，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(NF)測量方向圖，在圖4中進行比較。和所期望的一樣，方向圖形狀在方位和仰角方面都很相似。用這兩種方法在測量靈敏度為~0.5 dB的EIRP偏移，是根據(jù)與近場(NF)測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)對比

總結(jié)

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

圖4：測得的仰角和使用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

[1]    Ericsson contribution, “On radiated testing of AAS BS,” 3GPP R4-132211, May 2013.
[2]    ANSI/IEEE Std. 149-1979; Standard Test Procedures for Antennas.
[3]    IEEE Recommended Practice for Near-Field Antenna Measurements, IEEE Std, 1720-2012.
[4]    L. J. Foged, A. Scannavini, N. Gross, F. Cano-Facila “Accurate Measurement of Transmit and Receive Performance of AAS Antennas in a Multi-Probe Spherical NF System,” IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, Vancouver, British Columbia, Canada,July 19-25, 2015.

作者：Lars Jacob Foged

Lars Jacob Foged是Microwave Vision的科學主管和意大利Microwave Vision的副主管。如需聯(lián)系，請您發(fā)送郵件至lars.foged#microwavevision.com。

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