0 引言

從20世紀(jì)80年代第一代（1G）移動通信開始到今天的4G，移動通信及其衍生技術(shù)極大地改變了人類的物質(zhì)和精神生活。從話音通信到數(shù)據(jù)通信，特別是移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，預(yù)計2010年到2020年，全球移動數(shù)據(jù)流量增長將超過200倍，我國將超過300倍，移動通信技術(shù)自然也會出現(xiàn)新的演進(jìn)。目前，5G已經(jīng)成為全球的研發(fā)焦點(diǎn)，國際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代國際計劃（3GPP）和電子電氣工程師協(xié)會（IEEE）都已牽頭開展了相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究和制訂，我國也相應(yīng)成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組[1-5]。

IMT-2020推進(jìn)組將5G應(yīng)用分為四大場景，即移動互聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)廣域覆蓋場景和熱點(diǎn)高容量場景、移動物聯(lián)網(wǎng)的低時延高可靠場景和低功耗大連接場景，相應(yīng)的峰值網(wǎng)速指標(biāo)達(dá)到10～20 Gb/s，時延在1 ms，工作頻段也提高到6 GHz以下（目前選定3.5 GHz）的低頻段和高達(dá)毫米波（6～100 GHz）的高頻段[1-6]。

5G不僅僅是一次技術(shù)上的升級，也是一個催生新應(yīng)用新技術(shù)的廣闊平臺。雖然工作在較4G移動通信更高的頻段，同樣的相對帶寬意味著更大的絕對帶寬，但由于移動通信工作在自然物理環(huán)境中不可避免的多徑效應(yīng)導(dǎo)致的衰落，使得既定的高網(wǎng)速很難達(dá)到，需要采取多種新技術(shù)來提高帶寬，其中大規(guī)模多輸入輸出（Massive MIMO）技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。Massive MIMO對低無源互調(diào)（PIM）、低互耦、通道幅相一致性好的大規(guī)模相控陣天線的陣列、單元及其饋電電路、功率放大器等射頻技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[3，5，7-9]。

從Massive MIMO天線陣列的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)調(diào)配到系統(tǒng)性能認(rèn)證等各個環(huán)節(jié)，都需要有射頻測試技術(shù)來保證。從測試的指標(biāo)來看，5G的射頻測試的指標(biāo)包括元器件級的傳統(tǒng)分立射頻有源/無源指標(biāo)(如無源互調(diào))和有源無源集成的空口(OTA)測試(如有效輻射功率(EIRP))，以及反映系統(tǒng)級性能的指標(biāo)(如吞吐量)。從測試的場地來看，可以分為室外測試和室內(nèi)測試[10-14]。

室內(nèi)測試是在電磁暗室內(nèi)利用電磁波幅相調(diào)控產(chǎn)生、測量以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換計算，模擬室外微波遠(yuǎn)區(qū)場的特性或真實(shí)復(fù)雜工作場景的測試方法。室內(nèi)測試方法相比于室外測試方法，成本小，測量不確定度更低，適合從設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)調(diào)試到符合認(rèn)證等各個階段的應(yīng)用[15]。

本文介紹和分析了5G射頻測試的室內(nèi)微波遠(yuǎn)區(qū)場模擬方法、室內(nèi)真實(shí)工作場景模擬方法和無源互調(diào)測試方法，并重點(diǎn)分析了其中陣列天線法平面波模擬器、5G信道模型等關(guān)鍵技術(shù)。

1 室內(nèi)微波遠(yuǎn)區(qū)場模擬方法

當(dāng)前適用于5G移動通信基站測量的方法主要包括室內(nèi)準(zhǔn)遠(yuǎn)場、緊縮場場、球面近場和平面波模擬器等幾種，如圖1所示。其中，室內(nèi)準(zhǔn)遠(yuǎn)場在測量距離足夠遠(yuǎn)時，一般認(rèn)為對天線方向圖的測量不確定度最小，主要缺點(diǎn)在于需要完全滿足遠(yuǎn)場條件對應(yīng)的暗室尺寸大，建設(shè)成本高，如廣東通宇通訊建設(shè)了70 m長大暗室。室內(nèi)準(zhǔn)遠(yuǎn)場如果不能完全滿足遠(yuǎn)場條件，也會引起天線方向圖副瓣及零深測量的精度，另外由于路徑損耗大，部分射頻指標(biāo)測量受限。緊縮場能夠在近距離滿足遠(yuǎn)場條件，基站天線方向圖的測量和射頻指標(biāo)的測量簡單直觀，當(dāng)前主要受限于建設(shè)成本和使用維護(hù)的成本較高。球面近場測試效率高，適用于6 GHz以下頻段的天線方向圖測量，由于不直接滿足遠(yuǎn)場條件，部分射頻指標(biāo)不能直接測量。

平面波模擬器是一種能夠在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生準(zhǔn)平面波的裝置，該準(zhǔn)平面波的電場幅度、相位波動能夠滿足天線測試所需要的遠(yuǎn)場環(huán)境。典型平面波模擬器的構(gòu)成如圖1(d)所示，采用陣列天線的近場合成技術(shù)對一個二維平面陣列天線的各個單元進(jìn)行調(diào)控，將電磁場聚焦到空間中一片很小的區(qū)域。進(jìn)一步通過對陣列各單元天線的幅度和相位乃至位置進(jìn)行加權(quán)和優(yōu)化設(shè)計，使得空間中某一區(qū)域的場分布均勻波動甚小[16-19]。

平面波模擬器相比于其他測量方法的最大優(yōu)勢在于對暗室空間需求小，對于5G移動通信中的6 GHz以下頻率測試暗室外尺寸約為3 m×3 m×4 m。待測天線處于平面波環(huán)境中，不需要進(jìn)行變換，能夠?qū)芏嗌漕l指標(biāo)進(jìn)行直接測量。平面波模擬器能夠測量的天線及射頻指標(biāo)主要包括：天線方向圖、天線增益、天線效率、交叉極化、EIRP（等效全向輻射功率）、TRP（總輻射功率）、TIS（總?cè)蜢`敏度）、EIS（有效全向靈敏度）、EVM（誤差向量幅度）、ACLR（鄰道干擾）。平面波模擬器還能夠支持更高層的系統(tǒng)測試，如吞吐率、誤碼率測試等。

平面波模擬器的具體配置方法如圖2所示，一個Ne=Nx×Ny個天線單元的平面陣列，單元間距分別為dx和dy，在法向距離為d的一定區(qū)域產(chǎn)生準(zhǔn)平面波。假設(shè)單元為理想點(diǎn)源，平面陣列在靜區(qū)采樣點(diǎn)(xm，ym，d)（共M個采樣點(diǎn)）的電場表達(dá)式[20]為：

通過對目標(biāo)函數(shù)E(xm，ym，z)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)所需要的準(zhǔn)平面波條件。

結(jié)合以上分析，本文仿真了一個20×20單元的平面波模擬器，單元間距為λ，在1.8 m遠(yuǎn)處形成的1 m×1 m靜區(qū)內(nèi)，幅度波動<1.0 dB，相位波動<10°，該平面波模擬器在3.5 GHz電場分布情況如圖3所示。

2 室內(nèi)真實(shí)工作場景模擬方法

Gbps量級的網(wǎng)速帶寬是5G的特征之一。無線信道中不可避免的多徑衰落效應(yīng)造成的多徑散布譜制約著實(shí)際帶寬的實(shí)現(xiàn)[21]。MIMO技術(shù)通過空時編碼技術(shù)，充分利用多徑中各個子徑的非相關(guān)性，可以大幅度提高系統(tǒng)實(shí)際帶寬容量，這個測試獲得的帶寬稱為吞吐量（Throughtput）。5G的Massive MIMO技術(shù)通過增加更多的基站端天線，除了可以大幅度提高實(shí)際帶寬，還可以獲得更好的波束賦形能力，提高網(wǎng)絡(luò)容量并抑制小區(qū)內(nèi)干擾。這一技術(shù)對于信道建模、預(yù)編碼和導(dǎo)頻設(shè)計等提出了更高的要求。

室內(nèi)空口（OTA）測試是美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會（CTIA）提出的系統(tǒng)性能測試方法，在MIMO等多天線系統(tǒng)OTA測試方法中，3GPP37.977文件中介紹了MIMO OTA吞吐量的定義，并給出了多探頭暗室方法（MPAC）、混響室方法和兩階段（2-stage）方法等可選方案，如圖4所示[22]。

Massive MIMO系統(tǒng)吞吐量的室內(nèi)OTA測試的核心問題是如何在室內(nèi)模擬5G移動通信的真實(shí)工作場景，復(fù)現(xiàn)真實(shí)場景中多徑效應(yīng)造成的電磁波信號在空間域、時間域、極化域和頻率域上的特性[23]。

從這一角度出發(fā)去分析3個可選方案，如圖4（b）所示，混響室方法是利用混響室的特點(diǎn)模擬幅度高斯分布、相位均勻分布的瑞利信道；圖4（c）所示的兩階段法是，首先測得天線方向圖，然后將計入了天線方向圖影響的信道模擬器利用傳導(dǎo)法接入被測設(shè)備。以上兩種方法實(shí)際上都沒有全面模擬電磁波相對于被測天線陣列的空間分布特性，從而無法考察不同基站-終端方向夾角下的系統(tǒng)性能差異，也無法考察Massive MIMO陣列的空間波束賦形能力[22-23]。

在圖4（a）所示的多探頭測試方法中，每一個雙極化探頭天線都連接兩個對應(yīng)不同極化信號的信道模擬器。信道模擬器是用來模擬經(jīng)過真實(shí)工作場景中多徑效應(yīng)后的衰落信號，因此從探頭天線上發(fā)出的信號是符合衰落信道模型的隨機(jī)信號，從而較好地解決了真實(shí)工作環(huán)境信號的室內(nèi)重建，更全面地考察了被測系統(tǒng)的吞吐量。

可以看到，信道模型無論是在Massive MIMO系統(tǒng)的設(shè)計，還是在MIMO系統(tǒng)級性能的室內(nèi)測試中，都是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。由于天線方向性的特點(diǎn)，終端的信道模型目前一般采用幾何模型或稱基于子徑的擴(kuò)展模型（SCME）。SCME模型將多徑信號假設(shè)為從固定的若干條具有不同強(qiáng)度、時延、到達(dá)角的路徑到達(dá)，由于帶寬越寬越能辨析更多的路徑，因此，路徑的數(shù)目與工作的帶寬成正比。SCME模型適用的場景是郊區(qū)宏小區(qū)環(huán)境、城市宏小區(qū)環(huán)境和城市微小區(qū)環(huán)境，不同環(huán)境假設(shè)的直達(dá)信號（LOS）信號不同。對于基站而言，由于安裝位置和天線陣列的特點(diǎn)，多徑信號的來波方向應(yīng)該更加集聚[24-25]。

事實(shí)上，信道模型不僅取決于環(huán)境的幾何因素，更與工作頻率、收發(fā)天線的位置高度和方向圖特性、環(huán)境的材料因素密切相關(guān)。3GPP、ITU定義的信道模型較為簡單，無法體現(xiàn)系統(tǒng)、終端、芯片在真實(shí)場景下的性能。我國的新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)重大專項(xiàng)2018年度課題中專門設(shè)立了課題1-22“基于大數(shù)據(jù)的5G信道模擬與性能驗(yàn)證”，研究室內(nèi)精確模擬室外傳播環(huán)境的方法。綜合利用海量的信道測量數(shù)據(jù)，引入數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建涵蓋多小區(qū)和多用戶的無線傳播環(huán)境，研發(fā)切換、峰值吞吐量、切換等關(guān)鍵技術(shù)的性能仿真和測試平臺。

3 無源互調(diào)的測試

當(dāng)無源器件中輸入多個頻率的信號時，由于器件的非線性在信號之間會產(chǎn)生互調(diào)干擾，從而對通信質(zhì)量產(chǎn)生影響。未來5G移動通信中，大功率、多頻帶、高靈敏度已成為一種發(fā)展趨勢，需要更加重視PIM的設(shè)計和干擾測試[26-35]。

無源互調(diào)表征有兩種方法：一種是絕對功率電平表示法，用以dBm為單位的互調(diào)產(chǎn)物電平值來表示；一種是相對功率電平表示法，即用互調(diào)產(chǎn)物絕對功率電平與一個輸入載波功率電平的差值來表示，單位為dBc。IEC62037建議實(shí)驗(yàn)端口處采用2×20 W（43 dBm）功率，這一標(biāo)準(zhǔn)已被業(yè)界廣泛采用。比如基站天線互調(diào)要求一般為-107 dBm@2×43 dBm，等同于-150 dBc@2×43 dBm。

目前，國際上已經(jīng)制定了無源互調(diào)失真測量標(biāo)準(zhǔn)IEC 62037，IEC 62037系列標(biāo)準(zhǔn)基于雙載波測試方法，包括輻射式互調(diào)測試和傳輸式互調(diào)測試兩種基本標(biāo)準(zhǔn)，主要針對于單端口器件（如天線）、多端口器件（如功分器）及雙端口器件（如同軸接頭、波導(dǎo)等）。輻射式測試原理圖如圖5所示，用于單端口器件的測量中，天線和負(fù)載等都可以采用這種測量方法。雙端口器件使用如圖6所示的傳輸式測試系統(tǒng)。由于互調(diào)信號電平較低，一般要求測試系統(tǒng)保持一定的穩(wěn)定性。

以輻射式測試系統(tǒng)為例，測試系統(tǒng)由三部分組成(發(fā)射部分、被測部分、檢測部分)，發(fā)射部分由大功率頻綜信號源、定向耦合器、功率計、頻率合成器、Tx-Rx雙工器組成。被測信號由大功率頻綜信號源產(chǎn)生，兩個載波經(jīng)頻率合成器合成，合成后的信號經(jīng)過Tx- Rx雙工器到達(dá)被測件，檢測部分由低PIM帶通濾波器、低噪聲放大器、頻譜儀組成。對產(chǎn)生的PIM信號進(jìn)行濾波、放大并顯示。通常用輻射測量法對包含喇叭在內(nèi)的輻射型被測件進(jìn)行測量, 需要一個無PIM的吸波室。

該方法可以測量PIM水平在典型值(高于-110 dBm)的微波器件，而當(dāng)PIM很微弱時(低于-110 dBm)，測試系統(tǒng)中信號源帶來的雜散與互調(diào)強(qiáng)度接近甚至高于互調(diào)，經(jīng)過帶通濾波器很難濾除信號源雜散，導(dǎo)致檢測到的PIM信號不準(zhǔn)確。采用Massive MIMO技術(shù)的5G移動通信基站功率比43 dBm大大增加、終端工作頻段擴(kuò)展、接收機(jī)靈敏度不斷提高，對無源互調(diào)測試系統(tǒng)準(zhǔn)確性、靈活性、高效率和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。

4 結(jié)論

5G移動通信中天線和射頻技術(shù)的發(fā)展將極大地推進(jìn)天線、射頻前端及系統(tǒng)級測量方法的進(jìn)步。更加適用于5G移動通信測量的平面波模擬器等新技術(shù)將會獲得廣泛應(yīng)用。針對整個通信系統(tǒng)特性測量的5G信道仿真技術(shù)、無源器件的互調(diào)仿真方法將會得到新的發(fā)展。