5G NR基站的OTA幅度一致性測(cè)試

摘? 要：5G NR基站具有多個(gè)天線輻射單元，通過單元之間相位加權(quán)形成不同波束指向。只有精確已知各單元之間的幅度和相位差異，才能夠準(zhǔn)確地做相應(yīng)的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)精確波束成形。如何準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)單元間的幅度和相位差異測(cè)試，或者稱為幅相一致性測(cè)試，將是保證基站整體輻射性能的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：5G NR基站;波束指向; 幅相一致性;OTA

前言：

對(duì)于5G NR基站單元間幅相一致性測(cè)試，主要包括閉環(huán)測(cè)試和空間測(cè)試（Over The Air，OTA）兩種類型。對(duì)于閉環(huán)測(cè)試，其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定、精度高、不受外界環(huán)境影響，但是這種方式?jīng)]有包含天線的幅相一致性公差、安裝誤差、連接電纜不一致的影響等，因此這種測(cè)試方式并沒有實(shí)現(xiàn)最終整個(gè)基站幅相一致性的配平。為此，對(duì)于整個(gè)天線陣列來說，采用空間測(cè)試（OTA）的方式進(jìn)行幅相一致性的配平是其必要的一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)， 該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要閉環(huán)測(cè)試復(fù)雜的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)連接簡單，可全面校準(zhǔn)影響天線陣列通道間幅相一致性的各個(gè)環(huán)節(jié)。本文以5G NR基站幅度校準(zhǔn)為例，介紹一種適用于產(chǎn)線的OTA幅度一致性測(cè)試方法。

一、電波暗箱設(shè)計(jì)

OTA測(cè)試在屏蔽暗箱內(nèi)進(jìn)行，暗箱整體布局如圖1所示，采用2mm鍍鋅鋼板屏蔽處理，屏蔽效能不小于70dB，鋼板之間安裝采用拼裝工藝，方便拆卸、運(yùn)輸和安裝。

5G NR基站放置于暗箱內(nèi)黃色底板上方，底板下面有傳送帶，每個(gè)基站天線輻射單元M×N個(gè)，每個(gè)單元均為±45°雙極化，在暗箱前后留有開口，一端為進(jìn)料口，一端為出料口，暗箱側(cè)方有屏蔽氣動(dòng)小門，頂部開口用于安裝探頭陣列，探頭陣列與基站輻射單元陣列呈鏡像關(guān)系，即探頭陣列亦為M×N個(gè)，并且采用±45°雙極化探頭，探頭陣列通過射頻開關(guān)矩陣進(jìn)行控制，射頻開關(guān)端口數(shù)為至少為2M*2N。

暗箱內(nèi)部安裝聚氨酯型吸波材料，吸波材料反射電平<-35dB@ FR2，暗箱頂部和底部安裝通風(fēng)波導(dǎo)窗，底部為自然進(jìn)風(fēng)口，頂部采用風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)，帶動(dòng)暗箱內(nèi)部氣體流動(dòng)，對(duì)基站天線進(jìn)行冷卻。電纜進(jìn)出暗箱通過墻體信號(hào)接口板，接口板預(yù)留射頻接口、RJ45、光纖接口等，方便與暗箱內(nèi)基站天線進(jìn)行通信及供電。

二、測(cè)試流程

1. 探頭一致性校準(zhǔn)

測(cè)試前需要對(duì)探頭陣列進(jìn)行幅度一致性校準(zhǔn)，排除探頭間差異對(duì)測(cè)試造成的影響。校準(zhǔn)原理如圖3所示。

校準(zhǔn)示意如圖4所示，將喇叭天線分別置于每個(gè)探頭下方，控制開關(guān)矩陣切換喇叭對(duì)應(yīng)探頭，測(cè)得每個(gè)探頭的幅度即相位，測(cè)試中采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，若探頭之間幅度差異較大，通過調(diào)節(jié)探頭、電纜及開關(guān)無法減小探頭接收差異，則可以對(duì)每個(gè)探頭通道進(jìn)行幅度補(bǔ)償。

補(bǔ)償時(shí)為了減少人為操作誤差，建議重復(fù)測(cè)試幾組探頭數(shù)據(jù)，采用平均值校平探頭差異。

本文采用4×8探頭陣列，其幅度分布如圖5所示，探頭接收功率峰峰值有2.5dB差異，選擇最大值-38.74dB（也可以選其他值）對(duì)探頭幅度進(jìn)行歸一化，得到補(bǔ)償數(shù)據(jù)如圖6所示。

2. 基站單元幅度一致性測(cè)試步驟

測(cè)試示意如圖7所示，將基站置于暗箱內(nèi)黃色底板上，置于探頭組正下方。

1）將基站天線通過進(jìn)料口送入暗箱內(nèi)，連接電源線及控制線，確保暗箱風(fēng)扇及基站天線工作;

2）控制開關(guān)矩陣及基站天線輻射單元，測(cè)試中確保基站同一時(shí)刻只有一個(gè)輻射單元工作，其他單元處理關(guān)閉狀態(tài)，開關(guān)切換至對(duì)應(yīng)探頭進(jìn)行信號(hào)接收，隨后切換至下一通道，最終得到基站某一頻率下陣面幅度分布;

3）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行探頭補(bǔ)償求得基站單元幅度分布，對(duì)基站單元幅度進(jìn)行計(jì)算，按照陣面天線配平數(shù)據(jù)格式，生成幅度誤差校準(zhǔn)數(shù)據(jù)矩陣，對(duì)基站進(jìn)行配平;

4）對(duì)配平后的陣列天線，再進(jìn)行一邊步驟2）測(cè)試，判斷各通道幅度誤差是否符合工程要求，如果不滿足要求，則再重復(fù)一次步驟3）迭代過程，直至滿足要求。

結(jié)語：隨著5G NR通信的快速發(fā)展，必然催生大批量5G NR測(cè)試系統(tǒng)的需求，本方案適用于產(chǎn)線測(cè)試，可以快速測(cè)試基站每個(gè)輻射單元幅度信息，提高產(chǎn)品測(cè)試效率，通過探頭補(bǔ)償功能，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程開明.相控陣天線快速測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué).2014.12

[2] 張光義. 相控陣?yán)走_(dá)原理[M]. 國防工業(yè)出版社，2009.12

作者簡介：宮長波 1985年5月，男，民族漢，籍貫吉林，南京航空航天大學(xué)本科應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)，初級(jí)工程師，主要從事OTA測(cè)試