有源天線測(cè)試方法研究和應(yīng)用*

楊峰義，楊 濤，謝偉良

（中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心 北京100031）

1 引言

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的有源天線是將傳統(tǒng)基站的射頻部分與天線集成設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，其典型結(jié)構(gòu)是采用多通道的射頻單元和天線振子配合，在完成射頻信號(hào)收發(fā)的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)空間波束成形。有源天線實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)基站有源模塊與天線的緊密結(jié)合，模糊了傳統(tǒng)天線與基站的功能劃分。這種緊耦合結(jié)構(gòu)和工作原理決定了對(duì)有源天線的測(cè)試不能照搬已有的基站有源模塊的測(cè)試方法和無(wú)源天線的測(cè)試方法，需要針對(duì)有源天線具有的單一測(cè)試界面、獨(dú)特空間波束成形功能的特殊需求，研究和制定出一套科學(xué)、合理和高效的測(cè)試方法。

目前，3GPP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)針對(duì)有源天線立項(xiàng)，進(jìn)行有源天線的架構(gòu)、功能、指標(biāo)和測(cè)試方法等標(biāo)準(zhǔn)討論與制定工作[1～4]，目前提出了很多不同的觀點(diǎn)和方法，如傳導(dǎo)測(cè) 試（conducted test）、耦 合 測(cè) 試（coupling test）、遠(yuǎn) 場(chǎng)OTA（over the air）測(cè)試等，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，目前尚未找到一種各方均認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)方法，這也是3GPP下一步在有源天線領(lǐng)域的工作重點(diǎn)。

有源天線的測(cè)試主要包括射頻指標(biāo)測(cè)試、天線方向圖測(cè)試、空間波束成形（如上下行鏈路不同傾角、垂直波束分裂、水平波束分裂、不同頻段波束控制、不同制式波束控制等）的功能和性能測(cè)試。其中，射頻指標(biāo)和天線方向圖測(cè)試主要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，空間波束成形功能和性能測(cè)試則需要在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中進(jìn)行組網(wǎng)技術(shù)性能測(cè)試與驗(yàn)證工作。本文首先給出了有源天線的典型系統(tǒng)架構(gòu)，然后討論了其典型的測(cè)試方法，最后給出了混合測(cè)試的具體方法與測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果。

2 有源天線的系統(tǒng)架構(gòu)

典型的有源天線的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[1]，主要由3部分組成：收發(fā)單元陣列（transceiver unit array，TXRUA）、無(wú)線分布網(wǎng)絡(luò)（radio distribution network，RDN）和天線陣列（antenna array，AA）。TXRUA包 含 多 組 發(fā) 射 單 元（transmitter unit，TXU）和接收單元（receiver unit，RXU）。發(fā)射單元從基站獲得基帶輸入并提供射頻發(fā)送輸出，射頻發(fā)送輸出將通過(guò)無(wú)線分布網(wǎng)絡(luò)分配到天線陣列，接收單元執(zhí)行與發(fā)射單元相反的工作。無(wú)線分布網(wǎng)絡(luò)將輸出信號(hào)分配到相應(yīng)天線路徑和天線單元，并將天線的輸入信號(hào)分配到相反的方向。收發(fā)單元和無(wú)源天線陣列之間可以是一對(duì)一的映射關(guān)系，也可以是一對(duì)多的映射關(guān)系，具體情況依賴于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。天線陣列可包括各種實(shí)現(xiàn)和配置，如極化、空間分離等。

3 有源天線的測(cè)試方法研究

如前所述，3GPP在TR 37.840中提出和討論了多種測(cè)試方法[1]，總結(jié)起來(lái)主要有傳導(dǎo)測(cè)試、耦合測(cè)試、遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試、混合測(cè)試（combined test）、瑞利多徑衰落OTA測(cè)試（Rayleigh faded multi-path over-the-air test）、近場(chǎng)探頭掃描測(cè)試（near-field probe scanner test）等，本節(jié)重點(diǎn)討論這幾種測(cè)試方法的原理、適用性及局限性。

3.1 傳導(dǎo)測(cè)試

傳導(dǎo)測(cè)試借鑒了傳統(tǒng)基站射頻測(cè)試的方式，通過(guò)射頻電纜將被測(cè)設(shè)備與測(cè)試儀表連接起來(lái)?？梢詫?duì)單個(gè)收發(fā)單元進(jìn)行測(cè)試，也可以通過(guò)合路器將多個(gè)收發(fā)單元合路后進(jìn)行測(cè)試。如圖2所示，傳導(dǎo)測(cè)試的參考界面定義在天線振子和有源收發(fā)單元部分之間，這種測(cè)試方法要求產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)預(yù)留出專門的測(cè)試接口或者測(cè)試時(shí)需要將有源收發(fā)單元與無(wú)源天線振子斷開(kāi)。傳導(dǎo)測(cè)試由于使用射頻線纜連接，不受外界環(huán)境干擾，可以定量、重復(fù)測(cè)試，可以利用傳統(tǒng)基站的測(cè)試儀表、測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備，適合于AAS有源部分的射頻指標(biāo)測(cè)試。但是，傳導(dǎo)測(cè)試已將天線振子排除在外，無(wú)法直接測(cè)量出收發(fā)單元陣列和天線陣列組合后的空間性能，對(duì)空間性能特征的描述具有局限性。另外，傳導(dǎo)測(cè)試是將AAS有源部分和無(wú)源部分割裂開(kāi)來(lái)，需要二者之間有明確的物理接口，因此適合作為產(chǎn)品研發(fā)的中間過(guò)程測(cè)試，而不適合作為最終完整商用產(chǎn)品的入網(wǎng)認(rèn)證測(cè)試，除非在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)已預(yù)留出專門的測(cè)試接口。

3.2 耦合測(cè)試

如圖3所示，耦合測(cè)試是近場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試裝置內(nèi)安裝了一組場(chǎng)強(qiáng)探針陣列，探針陣列和有源天線輻射振子互相平行，同時(shí)還包括一個(gè)無(wú)源射頻分路器/合路器，分路器/合路器傳導(dǎo)射頻信號(hào)到各個(gè)探針端口，也從各個(gè)探針端口整合射頻信號(hào)到測(cè)試儀器。測(cè)量裝置中的探針數(shù)量不一定和有源天線的輻射振子數(shù)量相同。這種方法為測(cè)試有源天線的接收和發(fā)射提供了一個(gè)單一的連接點(diǎn)，避免需要直接連接到有源天線的收發(fā)單元接口，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)定制的無(wú)源耦合裝置，而且要求該測(cè)試裝置必須非常精確地平行對(duì)準(zhǔn)有源天線的外殼，以保證測(cè)量的精確性和可重復(fù)性。耦合測(cè)試裝置需要支持標(biāo)準(zhǔn)定義的整個(gè)頻率范圍（9 kHz～12.75 GHz），近場(chǎng)探頭的電氣特性在整個(gè)頻段應(yīng)該非常精確，探針響應(yīng)的影響可以從測(cè)試結(jié)果中去除。耦合測(cè)試方案的主要工作是開(kāi)發(fā)測(cè)試裝置。

圖1 有源天線的系統(tǒng)架構(gòu)示意

圖2 傳導(dǎo)測(cè)試的測(cè)試參考面

圖3 耦合測(cè)試裝置示意

3.3 遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試

遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試借鑒傳統(tǒng)無(wú)源天線的測(cè)試方法，在室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)或室外遠(yuǎn)場(chǎng)通過(guò)空間場(chǎng)測(cè)量的方法進(jìn)行有源天線系統(tǒng)的輻射、抗干擾性能測(cè)試。OTA測(cè)試提供了測(cè)量有源天線系統(tǒng)完整的遠(yuǎn)場(chǎng)空間特性的可能。為了獲得可重復(fù)性和穩(wěn)定的結(jié)果并避免對(duì)有源天線系統(tǒng)特性測(cè)量的干擾，測(cè)試時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試儀表進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)。遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試更適合天線方向圖和空間特性測(cè)量，不適合有源天線射頻指標(biāo)的測(cè)試，因?yàn)楹芏嗌漕l測(cè)試是在低電平下進(jìn)行的，需要測(cè)試環(huán)境具有很好的屏蔽性，不會(huì)受到外界信號(hào)的干擾，另外還需要非常嚴(yán)格的路徑損耗測(cè)量和校準(zhǔn)，因此，遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試的準(zhǔn)確性、測(cè)試效率和測(cè)試成本等都需要進(jìn)行進(jìn)一步研究和評(píng)估。

3.4 混合測(cè)試

混合測(cè)試是綜合考慮前面提到的測(cè)試方法的適應(yīng)性、局限性、測(cè)試效率和測(cè)試準(zhǔn)確性等因素，將不同的測(cè)試方法相結(jié)合，從而對(duì)有源天線系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試。目前主要有兩種組合方式。

·傳導(dǎo)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試相結(jié)合：首先使用OTA測(cè)試進(jìn)行天線空間特性的測(cè)試，如方向圖、有效全向 輻 射 功 率 （effective isotropic radiated power，EIRP）、有效全向接收靈 敏度 （effective isotropic received sensitivity，EIRS）等，然后使用傳導(dǎo)測(cè)試進(jìn)行有源部分的射頻指標(biāo)測(cè)試。

·耦合測(cè)試與遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試相結(jié)合：首先使用OTA測(cè)試進(jìn)行天線空間特性的測(cè)試，如方向圖、EIRP、EIRS等，然后使用近場(chǎng)耦合測(cè)試進(jìn)行有源部分的射頻指標(biāo)測(cè)試。

3.5 瑞利多徑衰落OTA測(cè)試

如圖4所示，瑞利多徑衰落OTA測(cè)試需要在混響室中進(jìn)行，在混響室里，攪模棒和金屬反射壁產(chǎn)生瑞利衰落的環(huán)境。如果測(cè)量時(shí)間足夠長(zhǎng)，被測(cè)天線則接收信號(hào)的能量是各向均勻的。瑞利多徑衰落OTA測(cè)試給出了一種總?cè)蜉椛涔β屎涂側(cè)蚪邮侦`敏度的測(cè)量方法。

圖4 瑞利多徑衰落OTA測(cè)試示意

3.6 近場(chǎng)探頭掃描測(cè)試

近場(chǎng)探頭掃描測(cè)試方法近年來(lái)在無(wú)源天線測(cè)試中應(yīng)用得越來(lái)越多，利用探頭在天線口面上做掃描運(yùn)動(dòng)，測(cè)量天線口面上的幅度和相位，然后經(jīng)近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的變換，由計(jì)算機(jī)得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性，只要保證一定的幅度和相位測(cè)量精度，即可較為準(zhǔn)確地得到遠(yuǎn)場(chǎng)特性。由于近場(chǎng)測(cè)量只需測(cè)量天線口面上的場(chǎng)，可以避免遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的諸多缺點(diǎn)，具有測(cè)試精度高、安全保密、全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，并且能很好地模擬和控制各種電磁環(huán)境，并通過(guò)軟件有效地補(bǔ)償各種測(cè)量誤差。近場(chǎng)測(cè)量的精確度是由射頻反射、機(jī)械誤差、截?cái)嗾`差和系統(tǒng)誤差等因素決定的。為了盡可能減少反射和射頻干擾，近場(chǎng)屏蔽室里都裝有吸波材料。

現(xiàn)有的近場(chǎng)多探頭掃描測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)無(wú)源天線設(shè)計(jì)的，考慮到天線收發(fā)信號(hào)的互易性，通常只測(cè)試一個(gè)傳輸方向，如何對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)改造以適應(yīng)有源天線的特殊需求，例如，區(qū)別于無(wú)源天線，有源天線上行和下行波束設(shè)置不同傾角，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該支持對(duì)上行和下行兩個(gè)傳輸方向的測(cè)試，這些都還需要進(jìn)一步研究。

4 混合測(cè)試方法的應(yīng)用與測(cè)試結(jié)果

通過(guò)前面章節(jié)對(duì)各種測(cè)試方法的分析可知，每種有源天線測(cè)試方案各有利弊，混合測(cè)試方法綜合考慮不同測(cè)試方法的適應(yīng)性、局限性、測(cè)試效率和測(cè)試準(zhǔn)確性等因素，充分利用各種測(cè)試方案的優(yōu)點(diǎn)，將不同的測(cè)試方法相結(jié)合，從而對(duì)有源天線系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試，是目前接受度較高的測(cè)試方案。傳導(dǎo)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試相結(jié)合的混合測(cè)試方法首先使用OTA測(cè)試方法進(jìn)行天線空間特性（如方向圖）的測(cè)試，然后使用傳導(dǎo)測(cè)試方法進(jìn)行有源部分的射頻指標(biāo)測(cè)試。本節(jié)重點(diǎn)討論傳導(dǎo)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試相結(jié)合的混合測(cè)試方式，并通過(guò)搭建實(shí)際的測(cè)試環(huán)境，對(duì)有源天線混合測(cè)試方案進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 測(cè)試環(huán)境和配置

OTA測(cè)試場(chǎng)采用室外遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境，如圖5所示。測(cè)試設(shè)備分置在兩座樓頂之間，兩樓間距50 m以上，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件；樓頂1上安裝有測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，上面安裝被測(cè)天線，可以通過(guò)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；樓頂2上有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的天線支架，放置喇叭天線，可以通過(guò)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)連接頻譜分析儀或信號(hào)源設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收或發(fā)射。

傳導(dǎo)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，如圖6所示。通過(guò)射頻電纜將被測(cè)AAS與測(cè)試儀表連接起來(lái)，測(cè)試時(shí)需要將射頻收發(fā)單元與天線振子斷開(kāi)，每個(gè)陣列的4個(gè)射頻收發(fā)單元通過(guò)合路器合并到一路，作為一個(gè)端口連接到儀表，當(dāng)然，也可以對(duì)單個(gè)收發(fā)單元的射頻指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。需要注意的是，測(cè)試前需要對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，利用有源天線的校準(zhǔn)端口，分別調(diào)整連接到合路器的每一路信號(hào)，以確保4路信號(hào)在合路器處為等幅同相輸入，經(jīng)合路后的輸出為基站的最大發(fā)射功率。

4.2 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試方案的驗(yàn)證主要包括以下內(nèi)容。

圖5 遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試連接

圖6 射頻指標(biāo)傳導(dǎo)測(cè)試連接

·射頻指標(biāo)測(cè)試：參照3GPP TS36.104[2]中關(guān)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的無(wú)線指標(biāo)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，如鄰道抑制 比（ACLR）、信道內(nèi)選擇性（ICS）、鄰道選擇性（ACS）、阻塞要求等。所有射頻指標(biāo)測(cè)試使用傳導(dǎo)測(cè)試方法。

·天線方向圖測(cè)試：與無(wú)源天線方向圖測(cè)試不同的是，有源天線方向圖測(cè)試分為發(fā)射方向圖和接收方向圖，二者的信號(hào)傳輸方向不同，要求AAS軟件能夠發(fā)射指定的測(cè)試信號(hào)或者收集接收信號(hào)的功率電平。參照無(wú)源天線的指標(biāo)要求，主要有水平面半功率波束寬度、垂直面半功率波束寬度、前后比、交叉極化比、下傾角精度、上旁瓣抑制等。通過(guò)對(duì)垂直面方向圖的測(cè)試可以驗(yàn)證有源天線獨(dú)立上/下行傾角、垂直多扇區(qū)、載波獨(dú)立下傾角等空間波束成形功能。所有天線方向圖測(cè)試使用遠(yuǎn)場(chǎng)OTA測(cè)試方法。

4.3 測(cè)試過(guò)程和測(cè)試結(jié)果

4.3.1 射頻指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

傳導(dǎo)測(cè)試方法使得AAS射頻指標(biāo)測(cè)試與傳統(tǒng)基站相似，可以對(duì)3GPP規(guī)范中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)無(wú)線指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，在此以發(fā)射機(jī)鄰道抑制比（ACLR）和接收機(jī)信道內(nèi)選擇性（ICS）為例，給出具體的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

通過(guò)分析以上的測(cè)試過(guò)程驗(yàn)證了有源天線混合測(cè)試方法可以獲得有源天線設(shè)備的射頻指標(biāo)，傳導(dǎo)測(cè)試方法能夠利用現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法和測(cè)試規(guī)范，滿足有源天線技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試要求。

表1 發(fā)射機(jī)鄰道抑制比測(cè)試結(jié)果

表2 接收機(jī)信道內(nèi)選擇性測(cè)試結(jié)果

4.3.2 天線方向圖測(cè)試結(jié)果

參考傳統(tǒng)無(wú)源天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法，搭建如圖5所示的測(cè)試環(huán)境。對(duì)于發(fā)射方向圖測(cè)試，通過(guò)后臺(tái)配置設(shè)備，設(shè)定被測(cè)天線額定功率輸出，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)喇叭在最大電平方向接收到相關(guān)信號(hào)，通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備將頻譜分析儀相關(guān)頻點(diǎn)的功率大小記錄。將AAS垂直或者水平放置，AAS發(fā)射下行信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，可以分別測(cè)試水平或垂直方向圖特性。接收方向圖測(cè)試方法和發(fā)射方向圖測(cè)試相似，區(qū)別在于喇叭天線端發(fā)送被測(cè)頻點(diǎn)的信號(hào)，AAS通過(guò)測(cè)試軟件可以自動(dòng)計(jì)算獲得接收電平。AAS在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行方位旋轉(zhuǎn)，并把接收到的電平作為角度的函數(shù)記錄下來(lái)，從而可以得到接收方向圖的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖7和圖8為AAS同頻雙波束垂直面方向圖和水平面方向圖測(cè)試結(jié)果，由測(cè)試結(jié)果分析可知，無(wú)論是上行（頻點(diǎn)2 500 MHz）還是下行（頻點(diǎn)2 620 MHz），AAS實(shí)現(xiàn)了垂直多扇區(qū)的功能，上行垂直方向波束1和波束2，下傾角分別為0°和10°，下行垂直方向波束1和波束2的下傾角分別為4°和12°，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了上下行獨(dú)立傾角的功能。測(cè)試結(jié)果也表明，混合測(cè)試方法可以滿足有源天線波束方向圖指標(biāo)的測(cè)試要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

有源天線的測(cè)試方法是3GPP研究和討論的重點(diǎn)之一，提出了多種測(cè)試方法，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適應(yīng)于不同的測(cè)試內(nèi)容和場(chǎng)景，到目前為止，尚沒(méi)有哪一種方法能夠得到業(yè)界的一致同意作為AAS唯一的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。混合測(cè)試是綜合考慮各種測(cè)試方法的優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性，將不同的測(cè)試方法相結(jié)合，從而對(duì)有源天線系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試。本文利用傳導(dǎo)測(cè)試與OTA測(cè)試組合的混合測(cè)試方法分別對(duì)AAS射頻指標(biāo)和天線方向圖進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程和測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了混合測(cè)試方法的有效性和可行性，希望能為后續(xù)有源天線測(cè)試的相關(guān)研究提供參考。

圖7 AAS上行（或下行）同頻雙波束垂直面方向圖

圖8 AAS上行（或下行）同頻雙波束水平面方向圖

1 3GPP TR 37.840 R12.Study of AAS Base Station,2013

2 3GPP TS 36.104 R10.E-UTRA Base Station(BS)Radio Transmission and Reception,2013

3 3GPP TS 36.141 R10.Base Station Conformance Testing,2013

4 3GPP TS 36.211 R10.E-UTRA Physical Channels and Modulation,2013

5 楊濤，謝偉良，朱雪田.有源天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.中國(guó)通信學(xué)會(huì)信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)2011年會(huì)論文集，鄭州，中國(guó)，2011：702～707

6 樂(lè)鐵軍，朱海冰，袁飛.有源陣列天線的發(fā)展及應(yīng)用.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2007，22(4)：22～27