球面近場多探頭一致性校準(zhǔn)方法研究

吳翔，潘沖，張宇，張翔

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G移動通信接入網(wǎng)設(shè)備正朝著多波束、多頻化以及智能化的方向發(fā)展。Massive MIMO天線可以根據(jù)用戶需求在3D維度產(chǎn)生多個波束。Massive MIMO天線的方向圖測量對場地測試能力、測試精度及測試效率帶來了巨大的挑戰(zhàn)。常規(guī)的遠(yuǎn)場測量手段雖然可以直接測出方向圖，但要求較大的測試距離，建設(shè)成本高，測試效率低，動態(tài)范圍要求大。近場測量具備測量效率高、可完成3維測試、占地成本低等優(yōu)勢，成為當(dāng)前移動通信天線測試系統(tǒng)的主流[1-2]。

但由于N個測量探頭形成N個測量通道，各個通道的探頭和鏈路損耗均對最終測試結(jié)果產(chǎn)生影響。而對于球面近場測試技術(shù)來說，只有獲得精確的天線近場幅度和相位數(shù)據(jù)，才能通過近遠(yuǎn)場變換算法轉(zhuǎn)換出準(zhǔn)確的遠(yuǎn)場信息。因此，需要消除多個通道間的幅度和相位誤差進(jìn)行定期校準(zhǔn)，以消除通道不一致性帶來的影響[3]。多年來該項校準(zhǔn)技術(shù)一直為國外公司獨立持有，使得我國開展深入的相關(guān)測量精度研究存在技術(shù)壁壘。

本文根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中多探頭球面近場測試系統(tǒng)的技術(shù)要求，分析和提出多探頭一致性校準(zhǔn)系統(tǒng)的指標(biāo)要求和校準(zhǔn)方法，并給出了一種系統(tǒng)設(shè)計。

1 多探頭一致性校準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)要求

理想情況下，近場測量需要每個通道保持幅相響應(yīng)一致，若系統(tǒng)各個通道之間存在不一致，將導(dǎo)致近遠(yuǎn)場運算變換的遠(yuǎn)場結(jié)果出現(xiàn)誤差。多探頭系統(tǒng)性能主要包括：探頭的幅度性能、相位性能及交叉極化性能三個方面[4-5]。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T2868《移動通信系統(tǒng)無源天線測量方法》中明確規(guī)定了多探頭球面近場測試系統(tǒng)的技術(shù)要求。

輻射參數(shù)測試場地及設(shè)備要求如表1所示：

表1 輻射參數(shù)測試場地及設(shè)備要求（多探頭近場）[6]

若希望對某場地進(jìn)行較高精度的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置的精度至少要高出被測系統(tǒng)一個數(shù)量級，也即希望如表2所示：

表2 多探頭一致性校準(zhǔn)技術(shù)要求

2 校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線固定在二維轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺俯仰旋轉(zhuǎn)使喇叭能對準(zhǔn)各個探頭，方位旋轉(zhuǎn)使喇叭能圍繞其口面中心作360°旋轉(zhuǎn)。測量過程中需保證測量環(huán)境相同，即：

圖1 多探頭球面近場探頭性能校準(zhǔn)示意圖

（1）喇叭口徑面中心到達(dá)各個探頭的路徑距離相同；

（2）圓環(huán)中心、喇叭天線口面中心及探頭中心三點在一條直線上，需采用激光定位儀精確對準(zhǔn)；

（3）測量過程中，保證對于同一個頻點，信號源輸出信號的幅度穩(wěn)定。

測量時，將信號源輸出設(shè)置為某測量頻率，轉(zhuǎn)臺俯仰旋轉(zhuǎn)使喇叭對準(zhǔn)待測探頭，喇叭相對探頭作360°方位旋轉(zhuǎn)，測量探頭相對喇叭在不同極化位置時接收到的幅相數(shù)據(jù)。對所有探頭重復(fù)測量，即可得到全部探頭所有頻點的幅相測量得到矩陣H，然后通過矩陣求逆的方式將H-帶入測量結(jié)果，從而實現(xiàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)。

2.2 校準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差分析

在探頭一致性校準(zhǔn)測量實際操作中，由于轉(zhuǎn)臺的步進(jìn)精度、對準(zhǔn)誤差等各項系統(tǒng)誤差及操作誤差的存在，天線對準(zhǔn)方向與理想情況之間總會存在一定的誤差，將方位角誤差記為Δφ，將俯仰角誤差記為Δθ，則對準(zhǔn)角度誤差導(dǎo)致標(biāo)定天線最大增益方向偏離探頭方向，從而導(dǎo)致探頭接收信號幅度及相位產(chǎn)生相對誤差。

探頭一致性計算場景如圖2所示，A為理想的標(biāo)定天線對準(zhǔn)探頭時的測量位置，B為標(biāo)定天線與理想情況偏離θ角度時的測量位置，X1，X2分別是位置A和位置B距離探頭的距離，h是測試機械臂的長度。X2-X1距離變化帶來幅度和相位變化，即為本測試系統(tǒng)帶來的測量誤差。

圖2 多探頭一致性校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差分析

2.3 遠(yuǎn)場條件

選擇雙脊標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線作為標(biāo)定天線，該天線的最大口面尺寸D為30 cm。多探頭系統(tǒng)工作頻段及移動通信業(yè)務(wù)頻段，計算如表3所示：

表3 移動通信頻段下天線遠(yuǎn)場條件

可見，128探頭系統(tǒng)的測試半徑滿足5 GHz頻率以下的遠(yuǎn)場條件。

因此，結(jié)合各向同性、均勻介質(zhì)中的遠(yuǎn)場條件，任意天線其遠(yuǎn)區(qū)輻射場的某一個分量可表示為：

其中，為Eu(θ,φ)天線幅度方向圖，ψ(θ,φ)為天線相位方向圖，為波數(shù)，r為發(fā)射源至遠(yuǎn)場觀察點的距離。

2.4 幅度一致性分析

根據(jù)Fris傳輸方程：

其中，PR為接收天線接收功率，PT為發(fā)射天線發(fā)射功率，GT、GR分別為發(fā)射及接收天線增益，λ為天線工作波長。

在對128系統(tǒng)進(jìn)行探頭一致性測量時，為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，需要盡量保證標(biāo)定天線與探頭天線對準(zhǔn)。在實際操作中，由于轉(zhuǎn)臺的步進(jìn)精度、對準(zhǔn)誤差等各項系統(tǒng)及操作誤差的存在，天線對準(zhǔn)方向與理想情況之間總會存在一定的誤差，標(biāo)記為角度θ，如圖2所示。根據(jù)前文中描述的Fris傳輸方程及天線遠(yuǎn)場分量表達(dá)式，該對準(zhǔn)誤差會從如下兩個方面影響幅度測量的一致性：

（1）Δθ的存在導(dǎo)致標(biāo)定天線最大增益方向偏離探頭方向，從而導(dǎo)致探頭接收信號強度發(fā)生變化；

（2）Δθ的存在使得標(biāo)定天線距探頭的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致探頭接收信號強度發(fā)生變化。

考慮到在實際測量時，對準(zhǔn)角度誤差Δθ極小（Δθ≤±0.5°），那么標(biāo)定天線距探頭的距離變化量也是一極小值（Δr≤0.5 mm），作為標(biāo)定天線的雙脊標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線又具有極為優(yōu)秀的增益穩(wěn)定性，因此：

（1）在標(biāo)定天線最大輻射方向（±0.5°）的范圍內(nèi)，其增益值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線方向圖可判定，幅度變化極小（＜0.01 dB），因此，標(biāo)定天線最大增益方向偏離探頭方向而導(dǎo)致的探頭接收信號強度變化可以忽略；

（2）由距離變化導(dǎo)致的天線增益變化可由下式得出：

其中，r為理想情況下標(biāo)定天線與探頭之間的距離。當(dāng)r=3 200 mm，Δr=0.5 mm時，ΔG≤0.0014 dB，本校準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差滿足幅度均勻性校準(zhǔn)要求。

2.5 相位一致性分析

根據(jù)式(1)結(jié)合天線遠(yuǎn)區(qū)場分量表達(dá)式，該誤差角度Δθ會從如下兩個方面影響相位測量的一致性：

（1）Δθ的存在，導(dǎo)致ejψ(θ,φ)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致探頭接收信號相位發(fā)生變化；

（2）Δθ的存在使得標(biāo)定天線距探頭的距離發(fā)生變化，e-jkr發(fā)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致探頭接收信號相位發(fā)生變化。

天線的相位中心定義為：在天線上或其鄰近若有一參考點，在給定頻率下，使得ψ(θ,)φ=常數(shù)，則這個使得ψ(θ,)φ=常數(shù)的參考點稱為相位中心。對于絕大多數(shù)天線來說，并沒有這樣一個相位中心存在。但在許多天線系統(tǒng)中，可以找到一個參考點，使得在大部分角空間特別是在天線主瓣區(qū)域內(nèi)ψ(θ,)φ=常數(shù)，則這個參考點稱為等效相位中心。

考慮到在實際測量時，對準(zhǔn)角度誤差Δθ極?。éう取堋?.5°），那么標(biāo)定天線距探頭的距離變化量也是一極小值（Δr≤0.5 mm），作為標(biāo)定天線的雙脊標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線又具有極為優(yōu)秀的相位穩(wěn)定性，因此：

（1）在標(biāo)定天線主瓣最大輻射方向±0.5°的范圍內(nèi)，ψ(θ,φ)常數(shù)，ejψ(θ,φ)為常數(shù)。因此，由ψ(θ,φ)導(dǎo)致的探頭接收信號的相位變化可以忽略不計；

（2）對準(zhǔn)角度誤差Δθ的存在使得標(biāo)定天線距探頭的距離發(fā)生變化，也即，產(chǎn)生一Δr，e-jk(r+Δr)，那么，由此產(chǎn)生的探頭接收信號相位變化量為：kΔr。

探頭的相位一致性要求為≤±2°，要求其校準(zhǔn)系統(tǒng)測試相位誤差≤±0.2°，換算為弧度為，也即：

對于本128系統(tǒng)而言，其內(nèi)徑尺寸為3.2 m，設(shè)計機械臂長h=1.5 m，則X1=3.2-1.5=1.7 m，即：

在此考慮最嚴(yán)格的情況，即：工作波長λ最短的情況（工作頻率最高）。此時，設(shè)定工作波長λ為60 mm（工作頻率為5 GHz）。

如圖2所示，結(jié)合余弦定理，可得：

3 結(jié)束語

本文根據(jù)多探頭系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了一套校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法。通過對幅度和相位的理論分析，若校準(zhǔn)系統(tǒng)采用步進(jìn)精度為0.001°的旋轉(zhuǎn)電機，即可滿足多探頭系統(tǒng)的校準(zhǔn)要求。后續(xù)進(jìn)一步研究基于此校準(zhǔn)系統(tǒng)的幅相矩陣補償技術(shù)。