集成濾波器的5G大規(guī)模天線的S參數(shù)測試方法

丁晉凱　孫彥明

【摘? 要】集成濾波器的5G大規(guī)模天線由于每個通道包含了一組濾波器，使得5G大規(guī)模天線的通道之間的幅度和相位一致性指標變得很差，進一步地，使得獲取除濾波器以外的純通道之間的幅度和相位的一致性指標變得非常困難。對集成濾波器的5G大規(guī)模天線的測試方法進行了原理分析和實際測試，找到了一種具有便捷的實際應(yīng)用的測試方案，通過兩次測試間接獲取了通道間幅度相位一致性，消除了濾波器引起的幅度相位差異。

【關(guān)鍵詞】5G大規(guī)模天線;幅度和相位;集成濾波器的天線;天線測試方法

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.010? ? ? ? 中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）03-0049-07

引用格式：丁晉凱，孫彥明. 集成濾波器的5G大規(guī)模天線的S參數(shù)測試方法[J]. 移動通信， 2020，44（3）： 49-55.

S-parameter Test Method of 5G Massive MIMO Antenna with Integrated Filter

DING Jinkai ， SUN Yanming

（Wuhan Hongxin Communication Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

[Abstract]?Since 5G massive MIMO antenna with integrated filter has a set of filters for each channel， the amplitude and phase consistency between the channels are poor， and it is difficult to further obtain the pure consistency indicators of the amplitude and phase between channels excluding the filters. This paper provides principle analysis and practical test of test method for the massive MIMO antenna with integrated filter， and finds a test solution with convenient practical application. The amplitude and phase consistency between channels are obtained indirectly through two tests， and the amplitude and phase difference caused by the filters are eliminated.

[Key words]5G massive MIMO antenna; amplitude and phase; antenna with integrated filter; antenna test method

0? ?引言

5G大規(guī)模天線是5G系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，Massive MIMO是5G的關(guān)鍵技術(shù)[1]。Massive MIMO采用更大規(guī)模的子單元天線陣列，現(xiàn)階段主要采用的是64通道的MIMO天線，其可大幅提升系統(tǒng)容量和覆蓋范圍[2]。也正是由于其多通道的特性，使得5G天線天生具有3D波束賦形的能力，通過調(diào)整每個子單元天線的幅度和相位，就可以獲得特定的天線輻射方向圖，使無線信號能量集中于波束寬度更窄的波束上，實現(xiàn)方向可控，從而增強覆蓋范圍和減少干擾[3]。5G大規(guī)模天線的波束賦形示意圖如圖1所示：

而為了實現(xiàn)3D波束賦形的能力，給每個通道相應(yīng)的幅度和相位的激勵，硬件上需要5G天線具備一項基本功能，那就是具有通道之間的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度和相位的校準功能[4]。此校準功能的實現(xiàn)原理主要是通過在天線的通道中設(shè)置相應(yīng)的耦合器和功分器模塊，實現(xiàn)對各通道之間的信號進行提取檢測，從而對天線通道之間的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度相位誤差進行校準，進而為精確的波束賦形提供了基礎(chǔ)。也正是如此，5G天線的S參數(shù)的的傳輸函數(shù)中幅度相位一致性指標是評估5G大規(guī)模天線電氣性能指標的關(guān)鍵指標之一，是整個有源天線系統(tǒng)（AAU）的重要基礎(chǔ)指標。

目前常規(guī)的5G天線的傳輸函數(shù)中幅度相位一致性指標測試方法較為簡單，可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行每個通道到校準端口的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度和相位的測試，進而獲取傳輸函數(shù)中幅度相位一致性指標。具體測試圖見圖2常規(guī)的5G天線測試示意圖。以64通道天線為例，通過測試P1-CAL， P2-CAL， ……， P63-CAL， P64-CAL的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度和相位，獲得對應(yīng)頻點的幅度和相位一致性差異。目前指標幅度相位一致性的要求如公式（1）和（2）所示：

{S（CAL，Pm）}max-{S（CAL，Pn）}min} ≤ 0.5dB? ? ? ? ? ? （1）

{arg（S（CAL，Pm）max-{arg（S（CAL，Pn））}min≤ 0.5dB? （2）

其中，m、n取值端口數(shù)的1到64的遍歷。

為了抑制帶外雜散信號，整機系統(tǒng)中每個通道需要增加濾波器模塊，常規(guī)AAU天線系統(tǒng)中濾波器模塊集成在主設(shè)備的功放側(cè)。目前為了提高系統(tǒng)的集成化程度，同時可以將大體積的濾波器放置在具備空間再利用的天線側(cè)，實現(xiàn)設(shè)備的小型化，同時也可以降低系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)品的調(diào)試難度，目前的主流方案是將濾波器集成在天線側(cè)，嵌入到天線的各通道之間。集成濾波器的5G天線示意圖如圖3所示。

集成濾波器的5G大規(guī)模天線由于每個通道包含了一組濾波器，而每一組濾波器之間由于工藝一致性和個體調(diào)試的差異很難保證批量電氣性能（傳輸函數(shù)的幅度和相位以及端口反射系數(shù)）的一致性，使得5G大規(guī)模天線的通道之間的幅度和相位一致性指標變得很差，進一步導(dǎo)致獲取除濾波器以外的純通道之間的傳輸函數(shù)中的幅度和相位的一致性指標變得非常困難。同時裝配成整機天線之后，濾波器的一個端口連接到信號輸入端口，但另一端口是連接到開放輻射結(jié)構(gòu)的天線單元，此種狀態(tài)下，單獨測試集成到天線上的濾波器指標也變得困難，故需要設(shè)計一種方法，實現(xiàn)對濾波器指標和單獨天線指標的測試和判定。

1? ? 集成濾波器的5G天線的測試方法

1.1? 集成濾波器的5G天線的測試現(xiàn)狀介紹

為了解決由于濾波器個體不一致性引起的通道內(nèi)幅度相位的差異，業(yè)內(nèi)提出一種方案，就是將濾波器嵌入通道的一端，設(shè)置一個電子開關(guān)，通過電子開關(guān)的通斷控制濾波器是否接入天線整機中，實現(xiàn)濾波器和天線的單獨分離測試?；蛘卟捎酶苯拥姆椒ǎ瑢⑵渥龀砷_路端，然后分別測試單濾波器指標和單獨天線的指標，進而評估出需要的濾波器參數(shù)指標和純天線的通道間的幅度相位一致性指標。其原理示意圖如圖4所示。

很顯然，這種測試方案雖然原理簡單，但實際操作中，如果使用電子開關(guān)，必然增加集成濾波器的5G天線成本，同時也會帶來電子開關(guān)的可靠性風(fēng)險。如果使用開路方法，單獨測試玩濾波器和天線的S參數(shù)指標后，最終還需要在開路的地方增加一個連接片進行焊接，從而將整體通道連接起來，這在實際操作中將會增加一項繁瑣的焊接工序，并且這個工序會帶來再次焊接的風(fēng)險。

1.2? 集成濾波器的5G天線的測試方法探究

為了克服上述方案的缺陷，本文提出了一種易于操作的測試方案，并進行了實驗樣品的驗證。

本文的測試方案是利用了5G天線的陣子功分模塊和實現(xiàn)幅度相位校準的校準模塊之間的信號連接部件這個斷點進行濾波器以及整機測試的。常規(guī)5G大規(guī)模天線的信號連接部件，是在裝配的最后環(huán)節(jié)進行焊接，從而實現(xiàn)整個天線的信號傳輸?shù)捷椛涞奶炀€單元上。信號連接部件在實際天線上的位置如圖5所示。

5G天線實現(xiàn)陣子功分模塊和校準模塊之間的信號連接部件示意圖如圖6所示。

利用這個信號連接部件的斷點位置，實現(xiàn)了前述要進行的單獨濾波器指標和純天線的S參數(shù)的幅度相位一致性指標測試。不焊接信號連接部件的情況下，這個位置就是預(yù)留了一個可供測試的端口，利用業(yè)內(nèi)的POGOPIN連接器測試，可以通過信號連接部件預(yù)留的過孔焊環(huán)進行免焊接直接測試。POGOPIN連接器如圖7所示。

具體測試方案的原理介紹如下。

為了測試濾波器的性能以及評估不含濾波器的純天線的性能，以64通道天線為例，初步設(shè)計如下步驟：

（1）未焊接信號連接部件時，測試TB1- P1， TB2- P2， ……， TB64- P64，獲得單獨的包含濾波器數(shù)據(jù)S參數(shù)數(shù)據(jù)S（TBm， Pm），也就直接獲取濾波器的帶外抑制和每組濾波器通道的幅度和相位數(shù)據(jù)。

（2）焊接信號連接部件后，正常測試CAL-P1， CAL-P2， ……， CAL-P64，獲得包含濾波器特性的整個天線的S參數(shù)數(shù)據(jù)S（CAL， Pm）傳輸函數(shù)的幅度相位等校準信息。

（3）通過后期數(shù)據(jù)處理，利用S（CAL，Pm）的數(shù)據(jù)減去S（TBm， Pm）的數(shù)據(jù)，由于S（CAL， Pm）和S（TBm， Pm）均包含同一個濾波器的參數(shù)，顯然通過這一簡單的減法操作即可消除濾波器的不一致性引起的差異。進而實現(xiàn)了通過間接法后處理獲得不包含濾波器的純天線的數(shù)據(jù)。

此時，純天線的通道間的幅度和相位一致性可以用下述公式描述：

{S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）}max-{S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）}min

≤0.5dB ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

{arg（S（CAL，Pm）-arg（S（TBm，Pm）}max-arg（S（CAL，Pn）-

arg（S（TBn，Pn）}min≤0.5°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中，m、n取值端口數(shù)的1到N（N為天線實際通道數(shù)）的遍歷。

為了更好地說明，下面簡單進行一個證明，說明公式（3）和公式（4）與公式（1）和公式（2）之間是等價的關(guān)系。要證明公式（3）和公式（4）分別與公式（1）和公式（2）等價，仔細觀察，即只需證明公式（3）和公式（1）等價即可，相位是包含在S參數(shù)里面的，公式（3）和公式（1）等價即可推出公式（4）和公式（2）等價。下面關(guān)鍵是證明公式（3）和公式（1）等價。

設(shè)定常規(guī)的5G天線幅度相位一致性表示如下：

（1）S（CAL，P'm）和S（CAL，P'n）分別表示不含濾波器時5G天線的CAL到Pm、CAL到Pn的S參數(shù)，根據(jù)公式（1）和公式（2）其幅度相位一致性可用下式表示。

幅度一致性：{S（CAL，P'm）}max-{S（CAL，P'n）}min? ? ? ? ? ?（5）

相位一致性：{arg（S（CAL，P'm））}max-{arg（S（CAL，P'n）}min （6）

（2）集成了濾波器的5G天線的CAL到Pm、CAL到Pn的S參數(shù)表示為S（CAL，Pm）和S（CAL，Pn）;未焊接信號連接部件時，TBm-Pm、TBn-Pn可獲得單獨的包含濾波器數(shù)據(jù)S參數(shù)S（TBm， Pm）、S（TBn， Pn）。

證明公式（3）和公式（1）等價也即下式成立：

{S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）}min-S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）}min

={S（CAL，P'm）max-S（CAL，P'n）min （7）

（3）設(shè)定濾波器的S參數(shù)用S（Fm）和S（Fn）表示，集成了濾波器的5G天線的S（CAL，Pm）和S（CAL，Pn）是在常規(guī)的5G天線基礎(chǔ)上增加了濾波器的特性，則有：

S（CAL，Pm）=S（CAL，P'm）+S（Fm）? ? ? ? （8）

S（CAL，Pn）=S（CAL，P'n）+S（Fn）? ? ? ? （9）

（4）這里S（TBm，Pm）的數(shù)據(jù)即為濾波器的S參數(shù)加上固定的一段帶狀線的S參數(shù)，設(shè)此固定的一段帶狀線的S參數(shù)為S（stripline），由于設(shè)計時此段的帶狀線均為相同長度，其S參數(shù)均為一致的。故有：

S（TBm，Pm）=S（Fm）+S（stripline）? ? （10）

S（TBn，Pn）=S（Fn）+S（stripline）? ? ? ? ? （11）

（5）將上述關(guān)系進行代入，進而有：

S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）+{S（CAL，P'm）+S（Fm）}-S（Fm）+S（stripline）}=S（CAL，P'm）+S（stripline）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）+{S（CAL，P'n）+S（Fn）}-S（Fn）+S（stripline）}=S（CAL，P'n）+S（stripline）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（13）

故公式（3）可以進一步表示為：

S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）}max-{S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）}min

={S（CAL，P'm）+S（stripline）}max-{S（CAL，P'n）+S（stripline）}min

={S（CAL，P'm）}max-{S（CAL，P'n）}min （14）

證明完畢。

1.3? 集成濾波器的5G天線的實物測試樣品數(shù)據(jù)

為了驗證上述間接測試方法的可行性，我們進行了兩端口樣品的實驗，實際中更多端口的操作方法是一致的，僅僅只是數(shù)量的增加而已。

集成濾波器的5G天線的測試實物的如圖8所示：

（1）未焊接信號連接部件時，測試TB1- P1， TB2- P2， ……， TB64- P64，獲得單獨的包含濾波器數(shù)據(jù)S參數(shù)數(shù)據(jù)S（TBm， Pm），也就直接獲取濾波器的帶外抑制和每組濾波器通道的幅度和相位的數(shù)據(jù)。

實際獲得兩組單獨濾波器的傳輸函數(shù)的帶外抑制指標和通道插損和相位關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯鰞H僅兩組濾波器之間的幅度一致性和相位一致性就很差，并且波動很大，幅度范圍為-1.95 dB到-2.88 dB，幅度區(qū)間波動0.93 dB，幅度一致性為0.19 dB，相位一致性最差值達到13.11°。

（2）焊接信號連接部件后，正常測試CAL-P1， CAL-P2， ……，

CAL-P64，獲得包含濾波器特性的整個天線的S參數(shù)數(shù)據(jù)S（CAL， Pm）傳輸函數(shù)的幅度相位等校準信息。

實際獲得包含濾波器特性的整個天線的S參數(shù)數(shù)據(jù)的幅度相位指標如圖10所示。很明顯可以看出由于濾波器之間的差異，導(dǎo)致整機天線的幅度相位一致性也變得很差，并且波動很大，幅度范圍為-17.5 9dB到-18.60 dB，幅度區(qū)間波動1.01 dB，幅度一致性為0.2 dB，相位一致性最差值達到15.12°。

（3）通過后期數(shù)據(jù)處理，利用S（CAL， Pm）的數(shù)據(jù)減去S（TBm， Pm）的數(shù)據(jù)，由于S（CAL， Pm）和S（TBm， Pm）均包含同一個濾波器的參數(shù)，顯然通過這一簡單的減法操作即可消除因為濾波器的不一致性引起的差異。進而實現(xiàn)了通過間接法后處理獲得不包含濾波器的純天線的數(shù)據(jù)。

通過間接法獲得不包含濾波器的純天線的S參數(shù)的傳輸函數(shù)的幅度相位指標如圖11所示。很明顯可以看出濾波器之間的差異已經(jīng)被消除，整機天線的幅度相位一致性也變得正常，并且波動很小，幅度范圍為-15.56 dB到-15.83 dB，幅度區(qū)間波動0.27 dB，幅度一致性為0.11 dB，相位一致性為2.71°。

具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示：

通過這個實際的樣品測試數(shù)據(jù)，驗證了提出的測試方案的可行性，這種測試方案充分利用已有條件，處理簡便，一致性好，不需要額外增加部件和增加產(chǎn)線流程，只是將產(chǎn)線流程順序進行變化，能很好地解決了由于濾波器之間不一致性引起的差異，獲取到了不包含濾波器的純天線的特性，實現(xiàn)對濾波器指標和單獨天線指標的測試和判定。

2? ?結(jié)束語

本文提出的集成濾波器的5G天線的測試方法，很好地消除了通道之間濾波器的差異，且測試方法簡便高效，可行性好，從理論和實際上均驗證了此測試方法的有效性和準確性，是一種便于生產(chǎn)操作的具有一致性的方法，能便捷地實現(xiàn)對濾波器指標和單獨天線指標的測試和判定，為后期集成濾波器的5G天線的批量測試打下了基礎(chǔ)，后期要做的工作就是將此測試過程自動化，提高測試效率。

參考文獻：

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作者簡介

丁晉凱（orcid.org/0000-0002-0903-2266）：高級工程師，現(xiàn)任職于武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，研究方向為5G大規(guī)模陣列天線的系統(tǒng)和模塊設(shè)計。

孫彥明：高級工程師，現(xiàn)任武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司天饋事業(yè)部研發(fā)經(jīng)理，研究方向為基站天線設(shè)計開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計。