有源天線測試方法研究和應用*

楊峰義，楊 濤，謝偉良

（中國電信股份有限公司技術創新中心 北京100031）

1 引言

移動通信系統中的有源天線是將傳統基站的射頻部分與天線集成設計為一個整體，其典型結構是采用多通道的射頻單元和天線振子配合，在完成射頻信號收發的同時可以實現空間波束成形。有源天線實現了傳統基站有源模塊與天線的緊密結合，模糊了傳統天線與基站的功能劃分。這種緊耦合結構和工作原理決定了對有源天線的測試不能照搬已有的基站有源模塊的測試方法和無源天線的測試方法，需要針對有源天線具有的單一測試界面、獨特空間波束成形功能的特殊需求，研究和制定出一套科學、合理和高效的測試方法。

目前，3GPP國際標準組織已經針對有源天線立項，進行有源天線的架構、功能、指標和測試方法等標準討論與制定工作[1～4]，目前提出了很多不同的觀點和方法，如傳導測 試（conducted test）、耦 合 測 試（coupling test）、遠 場OTA（over the air）測試等，每種方法都有其優點和缺點，目前尚未找到一種各方均認可的標準方法，這也是3GPP下一步在有源天線領域的工作重點。

有源天線的測試主要包括射頻指標測試、天線方向圖測試、空間波束成形（如上下行鏈路不同傾角、垂直波束分裂、水平波束分裂、不同頻段波束控制、不同制式波束控制等）的功能和性能測試。其中，射頻指標和天線方向圖測試主要在實驗室中進行，空間波束成形功能和性能測試則需要在實際網絡場景中進行組網技術性能測試與驗證工作。本文首先給出了有源天線的典型系統架構，然后討論了其典型的測試方法，最后給出了混合測試的具體方法與測試驗證結果。

2 有源天線的系統架構

典型的有源天線的系統架構如圖1所示[1]，主要由3部分組成：收發單元陣列（transceiver unit array，TXRUA）、無線分布網絡（radio distribution network，RDN）和天線陣列（antenna array，AA）。TXRUA包 含 多 組 發 射 單 元（transmitter unit，TXU）和接收單元（receiver unit，RXU）。發射單元從基站獲得基帶輸入并提供射頻發送輸出，射頻發送輸出將通過無線分布網絡分配到天線陣列，接收單元執行與發射單元相反的工作。無線分布網絡將輸出信號分配到相應天線路徑和天線單元，并將天線的輸入信號分配到相反的方向。收發單元和無源天線陣列之間可以是一對一的映射關系，也可以是一對多的映射關系，具體情況依賴于產品實現。天線陣列可包括各種實現和配置，如極化、空間分離等。

3 有源天線的測試方法研究

如前所述，3GPP在TR 37.840中提出和討論了多種測試方法[1]，總結起來主要有傳導測試、耦合測試、遠場OTA測試、混合測試（combined test）、瑞利多徑衰落OTA測試（Rayleigh faded multi-path over-the-air test）、近場探頭掃描測試（near-field probe scanner test）等，本節重點討論這幾種測試方法的原理、適用性及局限性。

3.1 傳導測試

傳導測試借鑒了傳統基站射頻測試的方式，通過射頻電纜將被測設備與測試儀表連接起來。可以對單個收發單元進行測試，也可以通過合路器將多個收發單元合路后進行測試。如圖2所示，傳導測試的參考界面定義在天線振子和有源收發單元部分之間，這種測試方法要求產品實現時預留出專門的測試接口或者測試時需要將有源收發單元與無源天線振子斷開。傳導測試由于使用射頻線纜連接，不受外界環境干擾，可以定量、重復測試，可以利用傳統基站的測試儀表、測試方法和測試設備，適合于AAS有源部分的射頻指標測試。但是，傳導測試已將天線振子排除在外，無法直接測量出收發單元陣列和天線陣列組合后的空間性能，對空間性能特征的描述具有局限性。另外，傳導測試是將AAS有源部分和無源部分割裂開來，需要二者之間有明確的物理接口，因此適合作為產品研發的中間過程測試，而不適合作為最終完整商用產品的入網認證測試，除非在產品實現時已預留出專門的測試接口。

3.2 耦合測試

如圖3所示，耦合測試是近場測試，測試裝置內安裝了一組場強探針陣列，探針陣列和有源天線輻射振子互相平行，同時還包括一個無源射頻分路器/合路器，分路器/合路器傳導射頻信號到各個探針端口，也從各個探針端口整合射頻信號到測試儀器。測量裝置中的探針數量不一定和有源天線的輻射振子數量相同。這種方法為測試有源天線的接收和發射提供了一個單一的連接點，避免需要直接連接到有源天線的收發單元接口，但需要設計一個定制的無源耦合裝置，而且要求該測試裝置必須非常精確地平行對準有源天線的外殼，以保證測量的精確性和可重復性。耦合測試裝置需要支持標準定義的整個頻率范圍（9 kHz～12.75 GHz），近場探頭的電氣特性在整個頻段應該非常精確，探針響應的影響可以從測試結果中去除。耦合測試方案的主要工作是開發測試裝置。

圖1 有源天線的系統架構示意

圖2 傳導測試的測試參考面

圖3 耦合測試裝置示意

3.3 遠場OTA測試

遠場OTA測試借鑒傳統無源天線的測試方法，在室內遠場或室外遠場通過空間場測量的方法進行有源天線系統的輻射、抗干擾性能測試。OTA測試提供了測量有源天線系統完整的遠場空間特性的可能。為了獲得可重復性和穩定的結果并避免對有源天線系統特性測量的干擾，測試時應對測試系統和測試儀表進行嚴格校準。遠場OTA測試更適合天線方向圖和空間特性測量，不適合有源天線射頻指標的測試，因為很多射頻測試是在低電平下進行的，需要測試環境具有很好的屏蔽性，不會受到外界信號的干擾，另外還需要非常嚴格的路徑損耗測量和校準，因此，遠場OTA測試的準確性、測試效率和測試成本等都需要進行進一步研究和評估。

3.4 混合測試

混合測試是綜合考慮前面提到的測試方法的適應性、局限性、測試效率和測試準確性等因素，將不同的測試方法相結合，從而對有源天線系統進行全面的測試。目前主要有兩種組合方式。

·傳導測試和遠場OTA測試相結合：首先使用OTA測試進行天線空間特性的測試，如方向圖、有效全向 輻 射 功 率 （effective isotropic radiated power，EIRP）、有效全向接收靈 敏度 （effective isotropic received sensitivity，EIRS）等，然后使用傳導測試進行有源部分的射頻指標測試。

·耦合測試與遠場OTA測試相結合：首先使用OTA測試進行天線空間特性的測試，如方向圖、EIRP、EIRS等，然后使用近場耦合測試進行有源部分的射頻指標測試。

3.5 瑞利多徑衰落OTA測試

如圖4所示，瑞利多徑衰落OTA測試需要在混響室中進行，在混響室里，攪模棒和金屬反射壁產生瑞利衰落的環境。如果測量時間足夠長，被測天線則接收信號的能量是各向均勻的。瑞利多徑衰落OTA測試給出了一種總全向輻射功率和總全向接收靈敏度的測量方法。

圖4 瑞利多徑衰落OTA測試示意

3.6 近場探頭掃描測試

近場探頭掃描測試方法近年來在無源天線測試中應用得越來越多，利用探頭在天線口面上做掃描運動，測量天線口面上的幅度和相位，然后經近場到遠場的變換，由計算機得到天線的遠場特性，只要保證一定的幅度和相位測量精度，即可較為準確地得到遠場特性。由于近場測量只需測量天線口面上的場，可以避免遠場測量的諸多缺點，具有測試精度高、安全保密、全天候工作等優點，并且能很好地模擬和控制各種電磁環境，并通過軟件有效地補償各種測量誤差。近場測量的精確度是由射頻反射、機械誤差、截斷誤差和系統誤差等因素決定的。為了盡可能減少反射和射頻干擾，近場屏蔽室里都裝有吸波材料。

現有的近場多探頭掃描測試系統是針對無源天線設計的，考慮到天線收發信號的互易性，通常只測試一個傳輸方向，如何對現有的測試系統改造以適應有源天線的特殊需求，例如，區別于無源天線，有源天線上行和下行波束設置不同傾角，測試系統應該支持對上行和下行兩個傳輸方向的測試，這些都還需要進一步研究。

4 混合測試方法的應用與測試結果

通過前面章節對各種測試方法的分析可知，每種有源天線測試方案各有利弊，混合測試方法綜合考慮不同測試方法的適應性、局限性、測試效率和測試準確性等因素，充分利用各種測試方案的優點，將不同的測試方法相結合，從而對有源天線系統進行全面的測試，是目前接受度較高的測試方案。傳導測試和遠場OTA測試相結合的混合測試方法首先使用OTA測試方法進行天線空間特性（如方向圖）的測試，然后使用傳導測試方法進行有源部分的射頻指標測試。本節重點討論傳導測試和遠場OTA測試相結合的混合測試方式，并通過搭建實際的測試環境，對有源天線混合測試方案進行驗證。

4.1 測試環境和配置

OTA測試場采用室外遠場環境，如圖5所示。測試設備分置在兩座樓頂之間，兩樓間距50 m以上，滿足遠場測試條件；樓頂1上安裝有測試轉臺，上面安裝被測天線，可以通過控制電機實現勻速轉動；樓頂2上有一個可以轉動的天線支架，放置喇叭天線，可以通過控制電機旋轉連接頻譜分析儀或信號源設備，實現信號的接收或發射。

傳導測試在實驗室內進行，如圖6所示。通過射頻電纜將被測AAS與測試儀表連接起來，測試時需要將射頻收發單元與天線振子斷開，每個陣列的4個射頻收發單元通過合路器合并到一路，作為一個端口連接到儀表，當然，也可以對單個收發單元的射頻指標進行測試。需要注意的是，測試前需要對整個測試系統進行校準，利用有源天線的校準端口，分別調整連接到合路器的每一路信號，以確保4路信號在合路器處為等幅同相輸入，經合路后的輸出為基站的最大發射功率。

4.2 測試內容

測試方案的驗證主要包括以下內容。

圖5 遠場OTA測試連接

圖6 射頻指標傳導測試連接

·射頻指標測試：參照3GPP TS36.104[2]中關于發射機和接收機的無線指標規定進行測試，如鄰道抑制 比（ACLR）、信道內選擇性（ICS）、鄰道選擇性（ACS）、阻塞要求等。所有射頻指標測試使用傳導測試方法。

·天線方向圖測試：與無源天線方向圖測試不同的是，有源天線方向圖測試分為發射方向圖和接收方向圖，二者的信號傳輸方向不同，要求AAS軟件能夠發射指定的測試信號或者收集接收信號的功率電平。參照無源天線的指標要求，主要有水平面半功率波束寬度、垂直面半功率波束寬度、前后比、交叉極化比、下傾角精度、上旁瓣抑制等。通過對垂直面方向圖的測試可以驗證有源天線獨立上/下行傾角、垂直多扇區、載波獨立下傾角等空間波束成形功能。所有天線方向圖測試使用遠場OTA測試方法。

4.3 測試過程和測試結果

4.3.1 射頻指標測試結果

傳導測試方法使得AAS射頻指標測試與傳統基站相似，可以對3GPP規范中的發射機和接收機無線指標進行測試，在此以發射機鄰道抑制比（ACLR）和接收機信道內選擇性（ICS）為例，給出具體的測試結果見表1和表2。

通過分析以上的測試過程驗證了有源天線混合測試方法可以獲得有源天線設備的射頻指標，傳導測試方法能夠利用現有的測試設備、測試方法和測試規范，滿足有源天線技術指標的測試要求。

表1 發射機鄰道抑制比測試結果

表2 接收機信道內選擇性測試結果

4.3.2 天線方向圖測試結果

參考傳統無源天線的遠場測試方法，搭建如圖5所示的測試環境。對于發射方向圖測試，通過后臺配置設備，設定被測天線額定功率輸出，調整標準喇叭在最大電平方向接收到相關信號，通過后臺數據采集設備將頻譜分析儀相關頻點的功率大小記錄。將AAS垂直或者水平放置，AAS發射下行信號，通過轉臺的水平轉動，可以分別測試水平或垂直方向圖特性。接收方向圖測試方法和發射方向圖測試相似，區別在于喇叭天線端發送被測頻點的信號，AAS通過測試軟件可以自動計算獲得接收電平。AAS在測試轉臺上進行方位旋轉，并把接收到的電平作為角度的函數記錄下來，從而可以得到接收方向圖的各項指標。

圖7和圖8為AAS同頻雙波束垂直面方向圖和水平面方向圖測試結果，由測試結果分析可知，無論是上行（頻點2 500 MHz）還是下行（頻點2 620 MHz），AAS實現了垂直多扇區的功能，上行垂直方向波束1和波束2，下傾角分別為0°和10°，下行垂直方向波束1和波束2的下傾角分別為4°和12°，同時也實現了上下行獨立傾角的功能。測試結果也表明，混合測試方法可以滿足有源天線波束方向圖指標的測試要求。

5 結束語

有源天線的測試方法是3GPP研究和討論的重點之一，提出了多種測試方法，每種方法都有各自的優點和缺點，適應于不同的測試內容和場景，到目前為止，尚沒有哪一種方法能夠得到業界的一致同意作為AAS唯一的標準測試方法。混合測試是綜合考慮各種測試方法的優勢和適應性，將不同的測試方法相結合，從而對有源天線系統進行全面的測試。本文利用傳導測試與OTA測試組合的混合測試方法分別對AAS射頻指標和天線方向圖進行測試，測試過程和測試結果驗證了混合測試方法的有效性和可行性，希望能為后續有源天線測試的相關研究提供參考。

圖7 AAS上行（或下行）同頻雙波束垂直面方向圖

圖8 AAS上行（或下行）同頻雙波束水平面方向圖

1 3GPP TR 37.840 R12.Study of AAS Base Station,2013

2 3GPP TS 36.104 R10.E-UTRA Base Station(BS)Radio Transmission and Reception,2013

3 3GPP TS 36.141 R10.Base Station Conformance Testing,2013

4 3GPP TS 36.211 R10.E-UTRA Physical Channels and Modulation,2013

5 楊濤，謝偉良，朱雪田.有源天線在移動通信系統中的應用研究.中國通信學會信息通信網絡技術委員會2011年會論文集，鄭州，中國，2011：702～707

6 樂鐵軍，朱海冰，袁飛.有源陣列天線的發展及應用.電子信息對抗技術，2007，22(4)：22～27