一種用于5G毫米波基站及終端測(cè)試的緊縮場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文針對(duì)5G毫米波基站和終端的測(cè)試需求，提出一種新型多功能緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)來兼顧毫米波基站和終端的測(cè)試。為滿足5G毫米波基站和終端的OTA測(cè)量，并探索太赫茲測(cè)量技術(shù)，該系統(tǒng)具有6-200GHz的工作帶寬。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的毫米波緊縮場(chǎng)靜區(qū)幅度錐削低于1dB，幅度波紋低于±0.5dB ，相位波紋小于±5°，交叉極化低于-27dB。

關(guān)鍵詞：5G毫米波；緊縮場(chǎng) OTA；太赫茲；靜區(qū)

一、引言

隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)和毫米波技術(shù)的快速發(fā)展，5G毫米波設(shè)備的天線、射頻和系統(tǒng)性能測(cè)試面臨著新的挑戰(zhàn)。由于高頻設(shè)備不再具備傳統(tǒng)使用電纜測(cè)試的射頻傳導(dǎo)接口[1]，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在 TS 38.141中明確要求僅采用OTA（空口）方式進(jìn)行5G毫米波設(shè)備的射頻測(cè)試[2]。遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)以及緊縮場(chǎng)等均可以作為5G設(shè)備的射頻測(cè)試場(chǎng)地。毫米波遠(yuǎn)場(chǎng)距離較大，空間損耗嚴(yán)重，無法達(dá)到帶外雜散測(cè)量等需要的底噪要求[3]。多探頭球面近場(chǎng)測(cè)量可以在單一場(chǎng)地，通過一次測(cè)試便可以獲得有源基站的3D方向圖測(cè)試結(jié)果，效率較高[4-5]。但是由于不是直接測(cè)量，而是采用近遠(yuǎn)場(chǎng)變換的方法，相關(guān)算法的正確性、各位置的測(cè)量準(zhǔn)確性，以及參考相位的選取，都將直接影響射頻輻射測(cè)試結(jié)果[6-7]。緊縮場(chǎng)是進(jìn)行天線參數(shù)測(cè)試及目標(biāo)散射特性測(cè)試的理想場(chǎng)地。其主要原理是將饋源發(fā)出的球面波通過某種方式在近距離內(nèi)校準(zhǔn)為平面波，形成一個(gè)適合測(cè)試天線各項(xiàng)指標(biāo)的平面波區(qū)域。由于緊縮場(chǎng)極大縮短了測(cè)試距離，從而減小了空間損耗，滿足雜散測(cè)試對(duì)底噪的基本要求，因此更適應(yīng)于毫米波的測(cè)量[8]。

目前移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)τ?G毫米波帶外指標(biāo)只能測(cè)到90GHz，還無法達(dá)到更高頻段比如太赫茲波段的測(cè)量。另一方面，在進(jìn)行毫米波基站和終端的緊縮場(chǎng)測(cè)試時(shí)各采用一個(gè)緊縮場(chǎng)或者更換轉(zhuǎn)臺(tái)分別進(jìn)行測(cè)量的方案，成本較高。本文設(shè)計(jì)了一種多功能毫米波緊縮場(chǎng)，在同一緊縮場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)毫米波基站和終端的OTA測(cè)試，測(cè)試頻率可達(dá)到太赫茲波段，極大地減小了場(chǎng)地面積，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了測(cè)試效率。

二、緊縮場(chǎng)工作原理

反射面緊縮場(chǎng)有很多類型，主要應(yīng)用的是反射式緊縮場(chǎng)如單拋物反射面緊縮場(chǎng)、雙柱面緊縮場(chǎng)、前饋卡塞格倫緊縮場(chǎng)等。單旋轉(zhuǎn)拋物反射面緊縮場(chǎng)由于其高精度，低成本的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[9]。

對(duì)于單旋轉(zhuǎn)拋物面緊縮場(chǎng)，由幾何光學(xué)知識(shí)可知，射線由焦點(diǎn)F經(jīng)過拋物面反射后，在拋物面口面的光程相等，并且產(chǎn)生與拋物面對(duì)稱軸平行的平面波，這個(gè)平面波區(qū)域我們稱之為靜區(qū)。通過優(yōu)化焦直比（F/D）可以減小旋轉(zhuǎn)拋物面的有限焦距長(zhǎng)對(duì)靜區(qū)的影響，從而獲得最佳的靜區(qū)場(chǎng)幅度錐削[9-10]。實(shí)際上采用口徑場(chǎng)卷積積分法定量計(jì)算緊縮場(chǎng)的靜區(qū)特性。其計(jì)算思想是先通過幾何光學(xué)法計(jì)算反射面口徑面上的場(chǎng)分布，可以把這個(gè)口徑面當(dāng)成一個(gè)等效源，然后計(jì)算等效源在口徑面上的積分從而得到反射面的散射場(chǎng)，最后得到靜區(qū)的場(chǎng)分布。為了避免經(jīng)由拋物面反射回的電磁波和焦點(diǎn)處的饋源之間耦合及遮擋影響，緊縮場(chǎng)的反射面采用偏置方案，即反射面相對(duì)于焦點(diǎn)的位置有一定的抬升高度A2，如圖 1所示。為了降低邊緣繞射，采用卷邊處理，其反射面邊緣外形為拋物面與橢圓線漸變?nèi)诤锨€，通過將衍射波束引導(dǎo)至反射面其他方向從而減小邊緣繞射波進(jìn)入平面波環(huán)境中，提高靜區(qū)的質(zhì)量，如圖 2所示。經(jīng)過繞射處理后的反射面口面利用率可達(dá)到50%～60%。

三、緊縮場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）反射面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反射面系統(tǒng)由反射面、調(diào)節(jié)板、反射面背架組成。反射面采用高精度數(shù)控CNC加工中心加工，刀具采用硬質(zhì)合金材質(zhì)，具有高硬度、高耐溫性，高耐磨性的特點(diǎn)，保證加工過程中不因刀具磨損和變形影響反射面表面質(zhì)量，其精度可以達(dá)到（均方根誤差）以下。而根據(jù)緊縮場(chǎng)反射面精度的要求，由最高頻率200GHz計(jì)算，可得到，滿足系統(tǒng)對(duì)6-200GHz帶寬內(nèi)的精度要求。反射面背架設(shè)有微調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)反射面角度進(jìn)行微調(diào)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以剛度為主，能夠克服自重變形和溫度變形。

（二）饋源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5G頻段具有多樣性，一般分為低頻FR1（Sub-6GHz）和高頻FR2（24.25GHz-52.6GHz）。為了使用更少的饋源實(shí)現(xiàn)毫米波帶內(nèi)測(cè)量，采用24-50GHz的寬帶饋源；對(duì)于帶外雜散的測(cè)試，采用6-24GHz超寬帶饋源和40-60GHz、60-90GHz、90-140GHz、140-220GHz的標(biāo)準(zhǔn)波段饋源結(jié)合。與標(biāo)準(zhǔn)頻段饋源相比，采用寬帶及超寬帶的饋源可以在不明顯影響靜區(qū)質(zhì)量的同時(shí)，覆蓋較寬的測(cè)試頻帶，減小饋源更換次數(shù)，提升天線的測(cè)試效率。

標(biāo)準(zhǔn)波段饋源采用雙槽波紋喇叭結(jié)構(gòu)，該喇叭由一個(gè)TE11模激勵(lì)的開口圓波導(dǎo)和兩個(gè)波紋扼流槽組成，槽的數(shù)量對(duì)饋源的波束寬度和駐波比有明顯的影響。饋源的設(shè)計(jì)滿足在反射面實(shí)體內(nèi)均勻照射，而在邊緣區(qū)域盡可能減小照射，以獲得最佳錐削口徑分布。饋源相位中心位置不隨頻率變化，照射角內(nèi)相位特性的變化相對(duì)較小，交叉極化較低，并具有很好的軸對(duì)稱性，其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

超寬帶饋源采用脊片外探四脊圓口喇叭結(jié)構(gòu)，其中喇叭內(nèi)壁和四脊的形狀經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減小駐波，保證波束寬度的穩(wěn)定性，從而滿足四倍頻的帶寬需求。四脊曲線的終端外探一定長(zhǎng)度，高于喇叭壁曲線終端，可以保證饋源方向圖和相位中心的穩(wěn)定性[11]。加工的超寬帶饋源實(shí)物圖如圖 4所示。

（三）轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了在同一個(gè)緊縮場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)毫米波基站和終端的測(cè)量，需要對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖 5所示。

轉(zhuǎn)臺(tái)從下而上依次為方位軸、平移導(dǎo)軌、兩側(cè)可拆裝立柱和極化（橫滾）軸。用于毫米波基站測(cè)試時(shí)，負(fù)載安裝在連接橫滾軸兩側(cè)的橫梁上，極化臺(tái)面及橫梁上設(shè)計(jì)有安裝螺紋孔，用于負(fù)載夾具的安裝。用于毫米波終端測(cè)試時(shí)，將一側(cè)立柱及橫梁拆下，橫滾軸作為極化軸。通過此設(shè)計(jì)，可以在不另外新建緊縮場(chǎng)或者更換整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)毫米波基站和終端的測(cè)量，降低了成本，提高了在毫米波基站和終端測(cè)量間切換的效率。

四、靜區(qū)電檢測(cè)

（一）靜區(qū)電檢測(cè)方法

考核靜區(qū)性能有三項(xiàng)指標(biāo)，即幅度不平度（包括幅度錐削和幅度波紋）、相位不平度、交叉極化。根據(jù)這三項(xiàng)基本指標(biāo)，確定滿足要求的區(qū)域和頻率范圍，即為系統(tǒng)的工作靜區(qū)尺寸和頻帶。靜區(qū)幅相場(chǎng)分布電檢測(cè)采用探頭掃描法，取靜區(qū)中心十字截線的場(chǎng)分布結(jié)果。

在毫米波波段，探頭掃描系統(tǒng)的長(zhǎng)電纜在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)信號(hào)的幅相抖動(dòng)有較大影響，因此在進(jìn)行毫米波靜區(qū)檢測(cè)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了更高的要求。電檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖 6所示，選擇標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭作為探頭，在靜區(qū)內(nèi)的某一特定截面的中心十字線上掃描，最終提取典型頻點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果。交叉極化依據(jù)國際通用緊縮場(chǎng)交叉極化測(cè)量方法，即在測(cè)量十字線上下和左右4個(gè)端點(diǎn)處，將場(chǎng)探頭沿軸線旋轉(zhuǎn)，分別取測(cè)量的最小與最大振幅之比。

（二）靜區(qū)電檢測(cè)結(jié)果及分析

靜區(qū)的幅相特性選擇6GHz、40GHz、110GHz和200GHz 共4個(gè)典型頻點(diǎn)的水平極化測(cè)試結(jié)果，如圖 7～圖 10所示。十字線的幅度、相位分布以曲線形式給出，對(duì)幅度測(cè)試曲線進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，其中黑色實(shí)線為測(cè)量曲線，紅色虛線為擬合線。通過比較測(cè)試曲線和擬合線的幅度值得到幅度錐削和波紋，通過比較測(cè)試線上的相位最大值和最小值得到相位波紋。

靜區(qū)的交叉極化特性測(cè)試在選定截面的十字線端點(diǎn)處測(cè)試。探頭以一定的步進(jìn)角由主極化狀態(tài)轉(zhuǎn)至交叉極化狀態(tài)，幅相測(cè)量系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中測(cè)量。選擇中心十字線左、右、上、下共四個(gè)端點(diǎn)作為典型位置，其HV測(cè)試結(jié)果如圖 11所示。

靜區(qū)水平極化幅相特性及交叉極化特性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表 1和表 2所示。由于高頻信號(hào)衰減較大，其交叉極化信號(hào)較低，系統(tǒng)達(dá)不到精確測(cè)量所需要的動(dòng)態(tài)范圍，因此無法進(jìn)行更高頻段的交叉極化測(cè)試。表中僅給出6～80GHz的交叉極化測(cè)試結(jié)果。

由測(cè)試結(jié)果可知，在±250mm靜區(qū)內(nèi)，其中心水平截線幅度錐削小于1dB，幅度波紋小于±0.5dB ；相位波紋小于±5°，交叉極化低于-27dB。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的緊縮場(chǎng)在6～200GHz范圍內(nèi)，靜區(qū)滿足平面波環(huán)境的要求，可以進(jìn)行毫米波基站及終端的測(cè)試。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型多功能緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，可以兼顧5G毫米波基站和終端的OTA測(cè)試。靜區(qū)幅相檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該緊縮場(chǎng)的成功應(yīng)用，將毫米波緊縮場(chǎng)測(cè)試頻率提高到200GHz，并極大降低了毫米波測(cè)試場(chǎng)地的成本，提高了毫米波的測(cè)試效率，推動(dòng)了5G毫米波基站和終端研發(fā)的快速發(fā)展。

作者單位：張帆? ? 中國移動(dòng)通信有限公司研究院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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