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5G通讯中天线的电波暗室测试环境探讨

发 布:2017-9-12 17:04:40查 看:54

 摘要  第五代移动通信系统(简称为5G)从以往的人与人、人与机器的连接,进一步扩展到包括机器与机器的连接在内的万物互连。实现一个全连接的数字世界需要通信系统能提供大数据、大流量信息的管道,其关键技术有Massive CA、Massive MIMO以及高阶信号调制等技术。其中Massive MIMO天线是Massive MIMO技术实现的关键技术,这些新的技术带来了对于测试环境的新要求。采用电波暗室模拟自由空间环境,可以对无线通讯系统进行全天候的测试。本文主要针对于5G天线测试系统中电波暗室环境部分进行了探讨,随着使用频率的提高,远场的测试距离变得非常大,现有暗室不能满足。考虑到暗室性能要求及造价等因素,我们设计采用紧缩场(CR)的测试技术来满足相关测试需求,并给出一个紧缩场暗室设计的具体方案。

锯齿状边缘反射器是经济的,而且提供优良的中,高频性能。对角馈源几何减少直接馈源的泄漏。

1  引言

第五代移动通讯技术中的有源天线技术[1-2]将在整个通讯系统中起着非常关键的作用:多频基站天线替代传统单频或双频天线;多频基站天线与射频模块的一体化融合及美学设计,既可加强网络覆盖性能,同时与环境融为一体,美观且便于部署;低频Massive MIMO天线用于广覆盖和深度覆盖,提供基本的用户体验速率;高频Massive MIMO天线用于热点地区、室内容量和无线回传。低频传输距离长,路程衰减小,高频传输距离短,衰减大,因此采用高低频混合组网,实现最佳频谱利用,全频谱接入通过有效利用各类移动通信频谱资源来提升数据传输速率和系统容量。6GHz以下频段因其较好的信道传播特性可作为5G的优选频段,6~100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源,可作为5G的辅助频段。传统的天馈系统的接口为标准化的接口,其各自的性能可以通过独立测试进行检验。而一体化有源天线是天线与RU(Radio Unit)部分的集成,其间的连接为为非标准接口。通过天线与RU各自独立测试方式无法整体反映有源天线的射频指标性能和辐射性能。需要考虑一体化的测试方式,即部分传导指标需要考虑空口测试。如何对这些射频指标空口性能进行定义,并通过什么方式进行测试均是Massive MIMO天线测试面临巨大挑战。目前均未有清晰的技术途径,3GPP标准也在技术研讨中。

本文从5G MIMO天线系统的特性出发,基于全天候的测试及测试精度的要求,对天线测试对于暗室环境的要求进行了探讨。以远场为基础的暗室设计,满足低频天线的测试,采用紧缩场[3]的暗室设计来满足高频Massive MIMO的性能测试,以及对于暗室环境的基本要求进行设计。

2  5G天线测试对测系统要求

5G Massive MIMO大阵列形态天线与之前的天线测试内容有所不同,这主要是由于一体化有源天线设计,与其射频部分无法直接区分所致,这种设计可实现扇区更密集劈裂、同频多波束覆盖、3D-beamforming等特性。相当于多个独立波束具有更高的方向性,单个分离天线的特性不能代表阵列及组阵的天线特性,因此对于测试系统有着高的要求,特别是暗室测试环境的要求进一步提高。另外多波束赋形控制与实际期望效果需要一个相对较大的暗室环境来解决实际的模拟及控制问题,在天线波束辐射特性趋于复杂场景下,这种类似与军用电子对抗等暗室复杂电磁测试环境的测试要求,在暗室的不同位置布置不同的接收终端(多终端),及发射端(卫星、基站信号模拟)等来测试5G系统的整体指标。 

3 现有通讯天线测试暗室的种类

目前的通讯天线测试,一般采用室外远场及室内暗室测试,室内暗室又可以分为远场、近场(平面近场、球面近场[4]),等测试方法。国内通讯基站天线公司一般都建有大型的天线远场暗室测试系统,譬如京信、盛路、通宇等公司,其中不少公司也建有环形多探头的近场测试系统。这些暗室均为测试天线本身的相关性能,对于5G天线系统的测试要求来看则需要进一步的精心设计。

4  5G远场天线暗室

暗室的建设中由于测试精度的要求,对暗室的静区性能要求不断的提高,但是暗室的建设的规模与实际的场地及投资规模有着非常大的关联。因此,设计高性价比的暗室一直是暗室建设单位和设计制造单位追求的目标
由于5G的基站天线采用多频段的阵列天线,考虑到天线的使用尺寸和频段,远场测试条件一般在低频时候容易满足测试远场测试距离条件,但是在高频段有可能测试距离不足,一般远场测试条件[5] :
R为测试距离,D为天线(阵列)口径大小, 为天线测试频率。当测试距离确定时候,不同频段满足天线口径大小也就确定了。
设计测试距离为60m的暗室,其不同频段被测试天线大小见表(1)。
表 1 距离为60m时满足不同频段测试天线的大小
 
由此可见,随着频率的提高,满足测试天线的口径D会变的越来越小。由于5G基站天线系统是多频天线,高频天线阵列与低频天线阵列排布在一个天线平台上,这样测试的时候是以平台的大小作为D来计算远场条件,同时毫米波高频天线阵列对于远场测试距离的要求更大,测试距离为60m的规模的“巨型”暗室仍然不能满足这些天线的系统的性能测试。因此,需要规划新的测试暗室方案来解决此问题。

5  5G紧缩场天线暗室

在被测天线口径D很大,或测试频率很高或波长很短时候,最小测试距离R变的很大,因此实际工程中无法实现或代价非常高。为解决上述问题,人们越来越多地关注紧缩场[4]技术的应用。它在近距离内将馈源发出的球面波通过准直元件转换为平面波,形成幅相分布近乎理想的平面波照射区(静区),从而满足远场测试需求(参见图1、2)。 
相对于传统远场和近场测试,安装在微波暗室内的紧缩场测试系统主要有以下优点:紧缩场产生平面波将聚集在平行波束内,暗室内四个侧壁的照射电平很低,降低了多路径散射,从而降低了对暗室吸波材料铺设的要求,在微波暗室设计合理情况下,静区的性能可以做到优于主反射面的吸波材料性能;紧缩场工作频率可以从几百MHz到几百GHz,可以满足微波频段之毫米波和亚毫米波的测试要求。

为了满足5G天线系统波束性能进行良好的测试,设计了采用典型单反射面的小型的紧缩场系统:设计静区大小设计为0.8m,形状为圆柱形;静区测试距离为4m;测试频率范围6-110GHz;幅度锥削1.0dB;幅度波动±0.5dB(f<40GHz),±1.0dB(f≥40GHz);相位波动10deg(f<18GHz),10deg(f≥40GHz);交叉极化-30dB,反射面尺寸为2.0m×2.0m;暗室尺寸为8m×4m×4m;主反射面吸波材料垂直入射反射率≤-55dB,选择高度为0.6m高聚氨酯角锥吸波材料。可以对上述方案中的各项指标进行进一步优化设计,以期满足后期的实际测试需求。

 6  结论

本文简单探讨了5G时代对于天线测试系统的要求,给出了一些相关测试暗室的设计的基本思路及方法,包括远场测试暗室及小型紧缩场测试暗室系统,并设计了一个小型紧缩场暗室,以期望满足即将到来的5G天线和射频系统测试要求。新的测试指标以及判断体系,测试原理和方法、测试平台等需要进行更深入的探索和研究,天线暗室测试系统的设计还将针对实施的标准,协同不同天线系统进行综合测试,其中也包括物联、星联等多种复杂系统联调测试等要求进一步深化设计。

关键字:嘉兆科技、测试测量
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