5G移動通信容量的增加需要在6 GHz以下頻段和毫米波頻率上推出配合網(wǎng)絡(luò)和移動終端的大規(guī)模MIMO基站。由于使用動態(tài)波束賦形以及被測設(shè)備上沒有射頻測試端口使得空口（OTA）測量對于5G部署至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，采用軟件和硬件近場轉(zhuǎn)換的OTA測試解決方案可以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

5G新無線電（NR）通信系統(tǒng)，為了增加移動無線電網(wǎng)絡(luò)容量，將使用6GHz以下頻段范圍（3GPP稱其為頻率范圍1（FR1））內(nèi)的頻段，和毫米波頻率范圍（FR2）內(nèi)的頻段。由行業(yè)和3GPP選擇的新技術(shù)方法承諾以更低的運(yùn)營費(fèi)用實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。

在FR1中，主要的創(chuàng)新努力集中在基站上，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模MIMO應(yīng)用。4G系統(tǒng)使用單用戶MIMO，其中用戶設(shè)備（UE）計算逆向信道矩陣以提取單獨(dú)的數(shù)據(jù)流。5G多用戶MIMO（MU-MIMO），使用預(yù)編碼矩陣技術(shù)，將復(fù)雜性從UE側(cè)轉(zhuǎn)移到基站側(cè)。這里，每個數(shù)據(jù)流由單獨(dú)的接收器獨(dú)立接收使用64到512單元的天線陣列進(jìn)行波束賦形，可減少對使用MU-MIMO的相鄰用戶的干擾。除了有利于采用MU-MIMO增加容量外，波束賦形還有其他優(yōu)點(diǎn)。通過將各個UE對準(zhǔn)分配給它們的信號，波束賦形較低的能量消耗可減低整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本。

在FR2范圍內(nèi)的通信系統(tǒng)，可使用28GHz和39GHz頻率上的大量可用帶寬。不利影響是1米遠(yuǎn)距離就有超過60 dB的路徑損耗和附近物體對電磁場的大量吸收。與FR1系統(tǒng)一樣，解決方案是采用天線陣列和波束控制，從而提高網(wǎng)絡(luò)中移動設(shè)備側(cè)和基站側(cè)的增益。

無論是FR1還是FR2，5G部署都依賴于結(jié)合了調(diào)制解調(diào)器、射頻前端和天線的高度集成解決方案的性能。

挑戰(zhàn)在于定義性能評估的新方法和裝置，因為射頻測試端口逐漸不再配備，而波束控制技術(shù)需要系統(tǒng)級測試。在這種情況下，必須測量OTA天線和收發(fā)器性能標(biāo)準(zhǔn)：有效全向輻射功率（EIRP）、總輻射功率（TRP）、有效各向同性靈敏度（EIS）、總各向同性靈敏度（TIS）、誤差矢量幅度（EVM）、相鄰信道泄漏比（ACLR）和頻譜輻射模板（SEM）。評估這些OTA引出了所需測量距離這一關(guān)鍵問題。天線特性通常在遠(yuǎn)場測量。應(yīng)當(dāng)使用直接遠(yuǎn)場探測并運(yùn)用Fraunhofer距離準(zhǔn)則（(R = 2D2/λ），在至少有9m長的腔室內(nèi)評估以2.4GHz輻射的75cm大規(guī)模MIMO被測設(shè)備。即使是以43.5 GHz發(fā)射的15cm長智能手機(jī)也需要6.5m的測試距離。需要用這個距離來建立包圍被測設(shè)備的區(qū)域，其中入射場應(yīng)盡可能均勻并且接近相位差小于22.5度的平面波，稱為靜區(qū)。

研究表明，峰值方向區(qū)域的實(shí)際遠(yuǎn)場行為可以在比Fraunhofer距離更近的位置出現(xiàn)。這些結(jié)果證明，例如，可以在近至1.14m距離處評估以24GHz頻率發(fā)射的15cm長被測設(shè)備的遠(yuǎn)場EIRP或EIS性能。距離縮短約70%是以增加縱向錐度誤差（由表觀相位中心與測量坐標(biāo)系中心偏差引起）為代價取得的。此外，在較短距離上無法準(zhǔn)確評估旁瓣電平。雖然在較短距離上進(jìn)行直接遠(yuǎn)場測量對所有應(yīng)用都不方便，但當(dāng)考慮應(yīng)用條件時，存在這樣做的動機(jī)。這是因為大型OTA暗室的擁有成本非常高昂并且動態(tài)范圍有限。典型應(yīng)用可以是“白盒”情況，這時設(shè)備的天線位置及其孔徑尺寸是已知的。

近場到遠(yuǎn)場

在“白盒”假設(shè)下，當(dāng)輻射孔徑大于靜區(qū)，在被測設(shè)備內(nèi)不能精確識別天線或者多個天線同時發(fā)射時，例如，從未安裝在靜區(qū)內(nèi)的被測設(shè)備的兩個極端邊緣發(fā)射，可能不適合進(jìn)行直接遠(yuǎn)場測量。于是必須考慮“黑盒”情景，那里輻射電流可以在被測設(shè)備內(nèi)任何地方流動。在緊湊環(huán)境中處理此類情況的首選有效方法是采用近場到遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換（NF-FF）的軟件，對于NF-FF，靜區(qū)大小問題變得無關(guān)緊要。NF-FF的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)可能有所不同，但概念通常一樣：在包圍被測設(shè)備的表面上測量電磁場的至少兩個偏振分量（E，H或兩者的混合）的幅度和相位。使用將場傳播到更遠(yuǎn)距離的功能處理測量數(shù)據(jù)，并提取遠(yuǎn)場輻射分量。根據(jù)Huygens原理，兩個相位復(fù)矢量的知識足以精確重建表面外的所有六個場分量。替代轉(zhuǎn)換方法使用球面波展開、平面波展開或積分方程解析，采用利用諸如空間采樣率、掃描區(qū)域或截斷的參數(shù)來提高計算效率或精度的技術(shù)。

圖1給出一個商業(yè)系統(tǒng)，能夠使用圓錐切轉(zhuǎn)臺對測設(shè)備周圍進(jìn)行球面掃描，進(jìn)行直接遠(yuǎn)場測量和近場測量。在這個系統(tǒng)上，被測設(shè)備位于方位角可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上，而雙極化Vivaldi天線安裝在仰角可旋轉(zhuǎn)的懸臂末端。被測設(shè)備上的射頻測試端口連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）；

圖1 球形測量系統(tǒng)（ATS 1000）能夠進(jìn)行近場軟件轉(zhuǎn)換，測量28 GHz陣列。

測量天線的端口連接到VNA的另外兩個端子，通過測量復(fù)數(shù)S參數(shù)實(shí)現(xiàn)近場評估。

近場測量方法通常依賴關(guān)于無源或射頻饋電天線測試的基本假設(shè)：

天線饋電端口所經(jīng)過的信號可以作為相位參考。

此射頻信號是連續(xù)波信號。

互易性適用，因此在相同頻率上的發(fā)射(Tx)輻射圖和接收(Rx)輻射圖相同。

在發(fā)射情況中有可用的解決方法，在那里這些假設(shè)不適用。例如，技術(shù)手段可以解決不具備天線端口的發(fā)射調(diào)制信號的被測設(shè)備。硬件和處理實(shí)現(xiàn)檢索傳播相位改變，例如，使用干涉技術(shù)，或使用帶額外專用相位參考天線的多端口相位相干接收機(jī)。對于類似圖1中系統(tǒng)的系統(tǒng)，這個天線通常連接到方位角轉(zhuǎn)盤。當(dāng)從幅度測量中提取相位信息時，替代方法包括無相位方法。

然而，接收模式更為復(fù)雜。首先，互易假設(shè)不適用于移動電話和基站設(shè)備，因為接收射頻部件鏈路通常不同于發(fā)射射頻鏈路。對于沒有測試端口的被測設(shè)備，由來自探測天線（這里用作發(fā)射器）的入射波產(chǎn)生的射頻前端輸入端的可用功率在近場中無法直接預(yù)測。換句話講，不可能將遠(yuǎn)場中被測設(shè)備的固有接收特性與測試裝置產(chǎn)生的近場耦合效應(yīng)隔離開。也無法訪問相位基準(zhǔn)，于是NF-FF軟件轉(zhuǎn)換變得不可使用。因此，可使用NF-FF軟件在近場中精確評估EIRP，但是不能評估EIS。

收發(fā)性能測量

另一個關(guān)鍵問題是無線電收發(fā)器性能的OTA評估，例如EVM、ACLR或SEM。軟件NF-FF方法設(shè)計用于處理確定傳播的射頻信號（載波）的周期性部分。然而，這部分信號對評估這些性能參數(shù)沒有意義，因此挑戰(zhàn)在于從載波調(diào)制中提取信息。

第一個難點(diǎn)是這些量很大程度上取決于接收器（發(fā)射模式下的頻譜分析儀或接收模式下的被測設(shè)備）的信噪比（SNR）。首先評估完整的三維發(fā)射輻射圖或接收輻射圖，從而確定峰值方向可以克服此難點(diǎn)。然后，可在該特定位置進(jìn)行解調(diào)，以及執(zhí)行EVM測量或其他測量。問題是，所獲得的值是否可靠并且反映了在遠(yuǎn)場中獲得的結(jié)果。在單收發(fā)器情況，只要SNR高于某個取決于調(diào)制方案的閾值，例如，優(yōu)于20dB，近場EVM必須與遠(yuǎn)場EVM相同。

對于同時運(yùn)行的多個獨(dú)立收發(fā)器，由于近場中的噪聲系數(shù)依賴于位置，近場EVM可能不會直接與遠(yuǎn)場EVM相關(guān)。

硬件近場轉(zhuǎn)換

替代的測試方法能夠在近場評估OTA，無需軟件轉(zhuǎn)換，而是采用硬件轉(zhuǎn)換。

其基本設(shè)想是在短距離內(nèi)，在指定的靜區(qū)范圍采用物理方法建立遠(yuǎn)場條件。這被稱為“間接遠(yuǎn)場”。緊湊型天線測量系統(tǒng)（CATR）使用反射器將球面波轉(zhuǎn)換成平面波，反之亦然。按照Fermat最短時間原理，使用拋物面反射器可將平面波聚焦在單個點(diǎn)上。如果使用互易原理，將測量天線放置在該焦點(diǎn)處，則可以產(chǎn)生平面波，因為拋物面反射器將來自測量（或饋電）天線的入射球面波的某個平面分量反射到放置被測設(shè)備的靜區(qū)（參閱圖2）。

圖2 使用卷邊反射器的緊湊型天線測試系統(tǒng)，將球面波前校直成平面波前。

CATR系統(tǒng)內(nèi)的誤差主要有兩個來源：反射器幾何形狀 -邊緣處理和表面光滑度（會限制頻率范圍），以及饋電天線特性。如果僅是簡單利用拋物面截面構(gòu)建反射器，那么鋒利的邊緣會引起衍射，這會產(chǎn)生大約2 dB的紋波，從而嚴(yán)重污染靜區(qū)。減輕這種現(xiàn)象的技術(shù)包括鋸齒形和卷邊，以便將能量從靜區(qū)散開。 鋸齒形/卷邊的大小和形狀決定最低工作頻率，而表面粗糙度決定頻率上限。饋電天線輻射圖特性對靜區(qū)大小有直接影響，因為反射器將饋電天線的輻射方向圖基本上都投射到靜區(qū)。

具有鋸齒形/卷邊的反射器尺寸通常至少是被測設(shè)備/靜區(qū)尺寸的2倍，其中帶尖銳邊緣的反射器是靜區(qū)大小的3至4倍。到被測設(shè)備的最佳反射器分離距離是反射器焦距的5/3。用范圍大致為0.3到1的焦距與拋物面直徑之比，可以從制造形狀公差推出最佳焦距。

由于靜區(qū)大小取決于反射器特性而不是范圍長度，因此在小型腔室內(nèi)建立大靜區(qū)更容易些。圖3顯示在28 GHz的CATR中測得的27cm靜區(qū)大小，類似于圖2所示的，采用42 cm×42 cm反射器。

這種CATR裝置適合放置在小至2 m×1.5 m×0.85 m的腔室內(nèi)。具有相同靜區(qū)尺寸的直接遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)需要14.5米的范圍。這些技術(shù)對于測試在5G NR FR2中運(yùn)行的UE或基站非常有意義，可顯著降低對測試場地大小的要求。

圖3 卷邊緊湊型系統(tǒng)的28 GHz、2 dB幅度錐形靜區(qū)，以及直接遠(yuǎn)場系統(tǒng)。

此外，CATR有與遠(yuǎn)場系統(tǒng)相同的能力，即，能夠瞬間測量和直接測量射頻收發(fā)器的發(fā)射和接收性能。由于這種系統(tǒng)的路徑損耗僅發(fā)生在波在饋電和反射器間傳播的有限區(qū)域之間，CATR系統(tǒng)的動態(tài)范圍優(yōu)于直接遠(yuǎn)場方法。以圖3為例，CATR系統(tǒng)的焦距為0.7 m，相當(dāng)于長14 m的等效遠(yuǎn)場范圍，二者有26 dB的路徑損耗差異。

平面波合成

CATR反射器通常用一塊實(shí)心鋁制造，以滿足嚴(yán)格的表面幾何形狀要求。5G FR2被測設(shè)備尺寸要求考慮緊湊且相當(dāng)輕的反射器（20至40 kg）。在5G FR1范圍內(nèi)，反射器重量顯著增加，用于基站被測設(shè)備的甚至高達(dá)數(shù)百kg。體量大的重型反射器成本、制造時間和加工難度常常讓人望而卻步。重量輕且成本效益好的替代方案是使用“電子版”的CATR反射器。通過組合由相控陣列組裝而成并饋送預(yù)定信號幅度和相位的多個天線的輻射，可在限定的靜區(qū)內(nèi)建立平面波。這種近場聚焦技術(shù)的一種版本，在麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室用于測量大型相控陣?yán)走_(dá)已有數(shù)年之久，并已被3GPP提議作為基站OTA測量的基準(zhǔn)。

圖4所示為2018年歐洲天線和傳播會議上報告的平面波轉(zhuǎn)換（PWC）系統(tǒng)。它包括由156個寬帶Vivaldi天線組成的陣列，后面是由許多移相器和衰減器組成的波束賦形網(wǎng)絡(luò)。這個PWC陣列寬1.8米，在2.3至3.8GHz的頻率范圍內(nèi)，在距離短至1.5米的地方形成1米直徑的球面靜區(qū)。在圖4的裝置中，被測設(shè)備（這里為校準(zhǔn)天線）安裝在組合軸轉(zhuǎn)臺上，可實(shí)現(xiàn)全球面測量。

圖4 R&S PWC200顯示PWC天線陣列和安裝在大圓切轉(zhuǎn)臺上的校準(zhǔn)陣列。

圖5 使用R&S PWC200測量單個20 MHz載波的EVM。

校準(zhǔn)天線用于評估此PWC陣列各個射頻信道的適當(dāng)補(bǔ)償，以及確定整個測試系統(tǒng)的路徑損耗。此PWC系統(tǒng)是互易的，只有一個射頻輸入/輸出端，可以連接到信號發(fā)生器、頻譜分析儀或VNA，可以測量帶或不帶射頻測試端口的設(shè)備。

圖5顯示借助羅德與施瓦茨公司的矢量信號發(fā)生器，針對有5個20 MHz載波（頻率范圍為2.35至2.45 GHz）的OFDM信號，使用此PWC測量單個載波的EVM。輸出功率為5 dBm，并饋送到60 cm×60 cm的貼片陣列被測設(shè)備。解調(diào)由連接到PWC的羅德與施瓦茨公司矢量信號分析儀執(zhí)行，測量范圍為30.72 MHz。其EVM低至0.41％，大致相當(dāng)于測量儀器的內(nèi)部EVM。其他4個載波的EVM測量結(jié)果低于0.5％，這表明此PWC使測量裝置增加的EVM可忽略不計。

采用軟件轉(zhuǎn)換的近場技術(shù)適合評估EIRP和TRP的大小。當(dāng)接收或解調(diào)涉及使用多個不同射頻收發(fā)器的被測設(shè)備時，利用諸如CATR和PWC的硬件場轉(zhuǎn)換方法可克服軟件NF-FF的限制。這些硬件場轉(zhuǎn)換方法也為直接遠(yuǎn)場測量提供了緊湊、可靠的替代方案，從而使它們非常適合UE和基站的3GPP 射頻一致性測試。