5G基站OTA測試場分析

宮 劍，任宇鑫，熊 林

（1.國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041；2.中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191；3.清華大學(xué)電子工程系，北京 100084）

1 引言

5G標(biāo)準(zhǔn)中定義的1-H，1-O和2-O的站型，均規(guī)定了相應(yīng)的OTA（over the air）射頻測試項[1]。尤其是1-O和2-O的站型，沒有了傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測試的天線接口，所有的射頻測試項都需要在OTA環(huán)境下進行測試[2]，測試項包含有發(fā)射功率，調(diào)制質(zhì)量，占用帶寬，鄰道泄漏功率比，雜散，互調(diào)，靈敏度，阻塞，等等。

所以用于OTA測試的全電波暗室例如：遠場，緊縮場，中場，帶有平面波產(chǎn)生器的小場等等成為必要的環(huán)境選擇。3GPP標(biāo)準(zhǔn)中[3]建議了遠場，緊縮場，一維緊縮場，近場四種選擇，并給出不同場的MU（Measurement Uncertainty）和相關(guān)測試項的校準(zhǔn)和測試方法建議。對于一維緊縮場，目前已有機構(gòu)根據(jù)類似的原理研發(fā)了平面波產(chǎn)生器[4]，也進行了大量的系統(tǒng)測試和驗證工作。但在實際的測試中，不同的場對不同測試項的支持情況究竟是怎樣的呢？本文通過實際測試情況對比總結(jié)了各種場地的特點。

2 遠場

根據(jù)遠場距離公式2D2/λ，D為被測件天線最大口徑，λ為被測頻率波長，所以被測件與測量天線之間的遠場距離取決于這兩個因素，假設(shè)D=1米，頻率=2.6GHz，遠場距離應(yīng)大于17.33米，即被測物天線相位中心距離測量天線之間的距離至少為17.33米，當(dāng)被測物天線口徑尺寸增大為2米時，遠場距離就增加為69米，所以廠家需要建造大于70米長的遠場場地。

這么大的測試距離下，路徑損耗就成為了關(guān)鍵的問題。根據(jù)自由空間傳播損耗公式：

Loss（dB）=32.45+20lgF（GHz）+20lgD（m），F(xiàn)

為頻率，D為測試距離，假設(shè)F=2.6GHz，D=18米，

Loss=65.94dB。如果F=26GHz，Loss會增加至85.9dB，再加上系統(tǒng)中射頻電纜等插損，Loss值將增大至70-90dB。

根據(jù)5G sub6G信號的特點[5]，EIRP單載波波束成型后的最大功率值，從+33dBm/100MHz到77dBm/100MHz，并且沒有上限。對于EIRP，EVM，ACLR最大功率點，OBW，EIS等帶內(nèi)有用信號的測試項，只要保證在通過路徑衰減之后，仍然滿足頻譜儀和信號源的動態(tài)范圍和指標(biāo)要求，那么測試都可以正常進行。例如：假設(shè)基站發(fā)射功率為75dBm/100MHz，再假設(shè)經(jīng)過80dB的路徑損耗之后，為-5dBm，假設(shè)對波束最大方向ACLR鄰道的要求是-55dBc，對應(yīng)鄰道功率為-60dBm/100MHz，對于DANL=-160dBm/Hz的頻譜儀來說，可以測量-80dBm/100MHz以上的信號，精確測量需要高于底噪10～20dB，所以可以滿足-60dBm/100MHz的鄰道信號測量，同時帶內(nèi)其他指標(biāo)例如EVM，OBW，F(xiàn)requency error等的測試需求也可以滿足。對于接收機測試指標(biāo)EIS的測試需求，信號源是可以滿足的，80dB的路損相對于基站所需要達到的靈敏度而言，仍然不足為道。但是對于阻塞測試來說，干擾信號的大功率要求，使得對于遠場測試的功放推送功率要求更高（除共址阻塞）。

但對于底噪要求較高的雜散測試，例如共存雜散的TRP要求可達-40.4dBm/MHz@2100-2170MHz，如表2所示，這就要求球面上的單點的測量結(jié)果至少有小于等于-40.4dBm/MHz的值出現(xiàn)，使用陷波器濾除主信號之后，頻譜儀需補償大于80dB的路損，底噪抬升到-80dBm/Hz，即-20dBm/MHz，所以不額外增加低噪放的情況下無法正常測試共存雜散的指標(biāo)。而增加了低噪放又引入了額外的雜散信號。同樣，通用雜散的測試要求也無法滿足，見表1所示。

雖然有很大的路徑損耗，但遠場的優(yōu)勢也是顯而易見的，首先頻率方面，由于大空間的優(yōu)勢和簡單的測試結(jié)構(gòu)，低頻可以比其他場更容易做到很低，例如300MHz，高頻也可以高到幾十個GHz。而且也是天線方向圖測試，小區(qū)覆蓋，多波束測試和溫度測試的理想場所。圖1是3GPP給出的極限環(huán)境高低溫測試的建議，可以看出既需要足夠大的空間去放置溫箱，溫度的變化又不能影響場地性能，遠場是非常理想的測試環(huán)境。遺憾的是，昂貴的占地成本和建設(shè)成本使大多數(shù)廠家都望塵莫及。

表1 3GPP對1-O站型通用雜散指標(biāo)[2]

表2 3GPP對1-O站型共存雜散指標(biāo)[2]（節(jié)選）

圖1 溫度測試示意圖

3 緊縮場

緊縮場是目前為止最好的等效遠場，既符合遠場測試條件，又大大減小了測試空間。緊縮場增加了饋源和反射面系統(tǒng)，使得球面波在較短的距離內(nèi)就可以轉(zhuǎn)化成平面波，所以路徑損耗可以更小，以20米*10米*10米的緊縮場為例，反射面5米*5米，靜區(qū)尺寸為3米長的2米直徑圓柱，頻率范圍1GHz-40GHz。雜散測試中實際補償?shù)筋l譜儀的路徑損耗可以降至56dB，所以同樣的頻譜儀，底噪可以達到-44dBm/MHz，通用雜散測試基本沒有問題了，共存雜散由于指標(biāo)接近底噪限值，所以仍然可能需要額外的低噪放來增加系統(tǒng)動態(tài)。

類似遠場，對于帶內(nèi)有用信號的測試項，都可以滿足，與遠場方向圖的比對也是最接近的。但是極限環(huán)境的溫度測試并不一定適合，原因是緊縮場反射面和饋源系統(tǒng)對環(huán)境溫度和震動等要求極高。頻率方面，低頻受到反射面大小的限制，無法做到太低，一般為GHz以上，高頻受到反射面平整度的限制，也無法做到過高。所以30MHz-1GHz的雜散頻率范圍在緊縮場中無法覆蓋。

緊縮場無疑是最接近遠場性能的等效遠場，但反射面和饋源以及對占地空間的要求，仍然需要不小的經(jīng)濟投入和嚴(yán)苛的工程建設(shè)要求。

圖2 清華電子工程系緊縮場

4 中場

中場的測試距離介于遠場和近場之間，是OTA測試中最簡易的測試方法，由于測試距離很小，可以在3米以下，路徑損耗可以繼續(xù)優(yōu)化至46dB以內(nèi)，雖不滿足遠場條件，但對于雜散TRP的測試而言，近場和遠場的測試都是有效的。根據(jù)TRP的定義，PD（r，θ，φ）為距離r下兩個正交極化的功率譜密度[6]。

頻率范圍取決于吸波性能和測量天線，可低可高，但由于空間受限，反射的問題會對某些測試精度產(chǎn)生影響。其它帶內(nèi)測試的準(zhǔn)確性也有待進一步驗證。

5 平面波產(chǎn)生器

平面波產(chǎn)生器是目前較為創(chuàng)新的一種方法，原理類似緊縮場將球面波通過變換在較近的距離內(nèi)形成平面波。不同的是，用天線陣面加調(diào)相網(wǎng)絡(luò)的方法取代了饋源和反射面，進一步降低了暗室的尺寸和造價。類似中場近場，小型OTA暗室即可滿足。對帶內(nèi)信號的測試指標(biāo)也可以較好的滿足。但受限于調(diào)相網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)范圍，路徑損耗與遠場相類似，在60～80dB之間。

頻率范圍和帶寬也受限于調(diào)相網(wǎng)絡(luò)，一般只支持6GHz以下的帶內(nèi)頻段。為了滿足更多的指標(biāo)測試，目前這種方案還在不斷完善和改進中。

6 結(jié)束語

下表是針對目前5G基站OTA測試項推薦的場，我們可以對5G的測試環(huán)境的復(fù)雜性窺見一斑。實際上本文中介紹的這四種場地也仍無法覆蓋所有的5G測試項，對于更低頻率（低至30MHz）的雜散測試，仍需考慮EMC暗室，等等。在各界同仁的努力下，不同場地所能支持的測試項也在不斷的演進和變化中。對于廠家，也在考慮建設(shè)多合一的測試場地以適應(yīng)各種測試需求，包括5G終端測試需求[7]等。

表3 OTA測試項場地支持情況