混響室測量5G移動通信天線的可行性分析

孫繼恒，周麗鈴

（中國電子科技集團公司第七研究所凱爾實驗室，廣東 廣州 510310）

1 引言

5G移動通信將應(yīng)用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、增強移動寬帶及低時延高可靠通信三大應(yīng)用場景中，3GPP針對移動寬帶和物聯(lián)網(wǎng)給出了LTE-A-Pro的標(biāo)準(zhǔn)方向，其中針對移動寬帶的目標(biāo)是更高數(shù)據(jù)吞吐量、更大帶寬（載波聚合）及高復(fù)雜度（如4×4MIMO）。由于天線在移動通信發(fā)射和接收中扮演中心角色，因此5G天線的研究也在不斷推進中，5G天線延續(xù)了傳統(tǒng)天線的特點，但也有別于傳統(tǒng)的移動通信天線。目前研究設(shè)計的移動通信天線被分為無源和有源兩部分。相對應(yīng)地，針對天線的測量分為無源測量和有源測量，無源測量包括通信天線的基本特征，典型的參數(shù)是效率和分集增益等。在有源測量中，天線被集成在一個有動力的設(shè)備中，測量總輻射功率和總輻射靈敏度等，并表征整個接收機或發(fā)射鏈，包括天線和放大器。

天線測量的目的主要是檢驗天線的性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，以實現(xiàn)對關(guān)鍵部件和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，是驗證設(shè)計思路的有效形式[1]。但是5G天線的測量因為研發(fā)技術(shù)的不斷推進出現(xiàn)了傳統(tǒng)天線測量方式不足以滿足天線性能測量的尷尬局面，無法真實解讀天線性能屬性和把握天線質(zhì)量控制。

業(yè)界針對5G移動通信測量的主要想法是采用傳統(tǒng)與擴展相結(jié)合的解決方案，本文將提出研究已有半個多世紀(jì)，有別于傳統(tǒng)近、遠場天線測量，被廣泛應(yīng)用于電磁兼容性和輻射設(shè)備特性測量，也被用于輻射效率和分集增益測量的混響室，以用于5G移動通信天線的測量。

2 近、遠場測量

圖1中的D表示待測天線的口徑，λ表示對應(yīng)的波長，其中D＞＞λ。近場與遠場的天線測量原理是基于天線輻射范圍與距離之間的關(guān)系：在大于2D2/λ的距離外，可以近似地認為在所測試的平面上球面波前是等相的，此為遠場的直接測量；在與2D2/λ之間，通過把待測天線在空間建立的場用數(shù)學(xué)的方法展開成平面波函數(shù)之和，外加利用多個探針采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)近場測量。

圖1 天線場范圍的概述

在5G移動通信天線可拆卸的狀態(tài)下，將有源部分拆下，采用傳統(tǒng)的近、遠場測量無源部分獲得天線輻射參數(shù)結(jié)果；而針對有源部分的功率測量等項目，將通過增加設(shè)備（比如網(wǎng)絡(luò)分析儀＋矩陣開關(guān)）的硬件方式實現(xiàn)多通道信號產(chǎn)生、多通道相位差測量、多探頭功率測量等，外加軟件算法或直接測量獲得所需參數(shù)結(jié)果。

此解決方案在5G移動通信中低于6 GHz的頻段內(nèi)可沿用已經(jīng)建設(shè)好的無源天線測試場地，通過增加部分設(shè)備及軟件配套的擴展方式解決有源模塊的測量，節(jié)約了成本。但是傳統(tǒng)測量中的遠場無法快速實現(xiàn)方向圖各個角度的切割，并且隨著后續(xù)發(fā)展，有源模塊必將與無源集成，此方案無法長期使用。

3 混響室測量

為長遠解決5G移動通信天線的測量難題，利用磁場測量電磁輻射的混響室方法引起關(guān)注。

如圖2所示，混響室是一個高導(dǎo)電性的諧振腔，通常是由不同尺寸的金屬腔和動態(tài)的攪拌器組成。金屬腔中可以激發(fā)出幾種諧振模式，每個諧振模式只顯示它們的場分布，通過適當(dāng)?shù)哪Ｊ将@得可重復(fù)測量結(jié)果的均勻分布場?；祉懯乙蚱涓淖冸姶艌鲞吔绲姆绞讲煌梢苑譃槿悾簷C械攪拌混響室-MSRC、電子模攪拌混響室rc-emsrc和固有混響室IRC。

圖2 混響室示意圖

3.1 混響室的研究

混響室屬于新的天線測量方式，所以研究中會遇到非常多的困難，比如在混響室條件下進行輻射敏感度測量時，電磁環(huán)境場強難以度量；如何計算出所需的功率測量項目；如何提取天線方向圖；如何應(yīng)用于實際工程測量中等。隨著研究的不斷深入，這些難題也在不斷地被解決。

文獻[2]分析了混響室內(nèi)電場強度的統(tǒng)計特性，理論推導(dǎo)出有損混響室內(nèi)場強空間相關(guān)系數(shù)表達式，得出混響室內(nèi)環(huán)境場強測試位置與受試設(shè)備（EUT）距離應(yīng)大于0.5倍波長的結(jié)論。此表達式經(jīng)過仿真分析并實驗驗證了正確性，以此作為測量位置選取準(zhǔn)則。另外，文獻[3]中也指出應(yīng)確保天線不太靠近吸收材料。當(dāng)天線靠近或朝向射頻吸收器時，能量會在模式攪拌前被吸收，這就減少了連接到接收天線的功率。

近年來利用電磁波的多徑傳播來增加數(shù)據(jù)吞吐量的多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)被廣泛應(yīng)用，混響室的原理可提供測量需要的多重反射環(huán)境，被3GPP提議作為多輸入多輸出（MIMO）空中性能一致性測量的候選方法之一。

混響室可評估天線輻射功率、自由空間輻射電阻、總輻射功率（TRP）、總各向同性靈敏度（TIS）、OTA、分集增益、MIMO系統(tǒng)容量、吞吐量及MIMO天線的輻射特性[4-8]。測量總輻射效率與傳統(tǒng)的“自由空間”環(huán)境中定義的天線相同[6]；指向性和增益的檢查需要適當(dāng)?shù)某绦蚝颓擅畹暮筇幚?；MIMO天線系統(tǒng)性能的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)通過兩種計算方法在混響室中測量[9]，該指標(biāo)越小越好，可提高通信速率；輻射效率測量的準(zhǔn)確性受到直接耦合的限制，造成了Rice分布參數(shù)[7-8]，準(zhǔn)確度可以利用平臺攪拌改進。

混響室測量中，提取天線方向圖是最難實現(xiàn)的，研究者們正不斷探索不同的算法及測量方式。目前的研究中有估算混響室天線方向性的方法[10-11]；利用時間反演技術(shù)，從時域著手，進行數(shù)字研究和驗證[12]；利用平面波分解和空間多普勒分析來移動待測物，獲得多普勒功率譜密度的方式[13]；實時多普勒效應(yīng)，每個角度只進行一次測量，得到天線的輻射方向圖[14]；通過一種替代測量的方法，在平均吸收截面理論下，使用兩個嵌套或連續(xù)的混響室測量[15]等方法獲得天線的輻射方向圖。

綜上，混響室可測量得到天線的輻射參數(shù)和功率參數(shù)，特別是現(xiàn)在5G應(yīng)用的MIMO天線性能參數(shù)測量。下面將分析Kate A. Remley等人通過配置混響室驗證蜂窩無線終端的TIS和TRP測量[3]。

3.2 混響室測量無線蜂窩設(shè)備

Kate A. Remley等人首先對OTA測量針對攪拌器的位置、測試天線類型、吸收器的數(shù)量和位置等做了全面的理論研究，測量中相關(guān)的配置如表1所示：

表1 用于實驗的混響室配置

一旦混響室配置（功率傳遞函數(shù)評估；天線、RF負載與金屬表面之間的位置關(guān)系；攪拌器的模式選擇）設(shè)置好，信道特征（相干帶寬、RMS時延擴展、空間均勻性）得以掌握，外加缺乏空間一致性導(dǎo)致的不確定度明確之后，即可進行針對無線蜂窩設(shè)備的OTA測量。

實驗選用單輸入單輸出的蜂窩無線設(shè)備，測量關(guān)注兩個共同問題：TRP、TIS。測量得到混響室和電波暗室之間的協(xié)議是在2 dB內(nèi)進行TRP測量，在4 dB內(nèi)進行TIS測量，在兩個測量環(huán)境中測量結(jié)果表現(xiàn)出一致性。

通過現(xiàn)有研究及實驗證明，混響室適合5G移動通信天線的測量，并且其多徑的測量環(huán)境與MIMO天線性能的測量非常契合。

與微波暗室相比，混響室更小、更便宜、更省時，除了可測量天線輻射特性外，還能通過測量更多的有源項目來衡量天線的通信情況。

4 結(jié)束語

隨著5G移動通信天線的發(fā)展，設(shè)計結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越多使得測量5G天線也成為了難題。業(yè)界給出了傳統(tǒng)近、遠場測量與擴展相結(jié)合的方案，但仍無法解決5G天線集成后天線測量的難題。混響室可用于5G天線的測量，既能滿足無源天線參數(shù)測量，也能滿足有源模塊功率測量。不過目前針對5G天線的混響室測量實驗還較少，需要做更多的研究和驗證。