5G 相控陣近場多探頭OTA 校準

馬夢露，趙德雙*，楊周明，梁 鋒，曹衛(wèi)平，王秉中

（1. 電子科技大學物理學院 成都 611731；2. 廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室 桂林 541004）

在實際生產(chǎn)中，由于制造公差、裝配誤差和射頻通道差異等原因，5G 相控陣的各個通道與理想狀態(tài)有明顯的幅相差異，這些差異如果不進行精確的校對，嚴重時會引起相控陣的輻射效率下降、方向圖畸變從而影響5G 無線通信質量[1]。因此，在投入使用前，對5G 相控陣天線的各個通道進行精確的幅相校準，是產(chǎn)品校測中一個必不可少的關鍵環(huán)節(jié)。

與傳統(tǒng)的相控陣天線不同，5G 相控陣的天線單元與射頻電路通道被有機地集成在一起，構成一個完整的有源天線單元（active antenna unit, AAU）。在AAU 成型后，一般不宜將二者拆解用傳導方法進行幅相校準，因此，空口（over the air, OTA）校準便成為當前最主要的5G 相控陣校準手段[2]。OTA 校準是指，在待測陣的輻射區(qū)，用探頭天線采集AAU 的輻射場信息，在不需拆解射頻通道與天線的情況下，完成相控陣天線通道間的幅相校準。OTA 校準主要有遠場、近場、緊縮場等幾種手段[3]。其中，近場OTA 校準因為無需建造大型暗室，也無需特殊的平面波產(chǎn)生裝置，具有占地小、成本低、效率高等優(yōu)勢，因此，成為目前解決Sub-6 GHz 頻段內(nèi)5G 相控陣幅相校準的一個主導技術。

從當前研究來看，近場OTA 校準主要以單探頭近場掃描為主，通過單個探頭在近場區(qū)掃描，獲取天線近場信息，然后基于平面波譜展開理論，將采集到的近場轉換為遠場，進一步反推至待測陣（device under test, DUT）的口徑場，通過近/遠場變換、近場/口徑場變換完成陣列診斷[4]。為提高校準精度與效率，文獻[5-7]對近場掃描法進行了誤差分析和方法改進，但其需求掃描采樣點多、校準算法復雜且需要事先已知探頭天線信息等，導致校準效率不高、速度比較慢。相比單探頭近場掃描法，近場換相法避免了探頭天線的掃描，在簡化校準測量流程的同時，加快了校準效率[8-10]。但是，由于忽略了陣元間耦合對幅相的影響，僅校準了陣列的射頻通道誤差，因此，換相法的校準精度相對不高。為了同時提高校準效率和精度，學者們也研究了多種多探頭OTA 校準法。其中等效源重建方法，可利用近場探頭陣列的測量數(shù)據(jù)，基于積分方程和格林函數(shù)構建待測陣的等效源，從而獲得待測陣的遠場方向圖[11]。該方法可避免探頭機械移動，能夠提高校準效率和準確性。為了進一步簡化探頭陣列，文獻[12]針對平面待測陣，提出一種3 探頭天線校準法，探頭天線位置固定，無需掃描。該方法同樣能夠實現(xiàn)校準效率的提升，但其對測試場地要求較高，需要足夠大的暗室箱體，以滿足幾乎接近遠場的測量距離要求。另外，也有通過計算探頭與各個待測通道之間的理想接收功率替代實測，以減少對近場數(shù)據(jù)的實測采樣[13]。此方法使校準效率得到一定提升，但是，對于大批量陣列而言，實際值與計算值間的誤差往往具有不可預測性，不太適用于批量化相控陣校準。

為實現(xiàn)1.8～6.0 GHz 頻段內(nèi)小型5G 相控陣的大批量、快速、高效的幅相校準，本文提出一種基于校準陣的近場多探頭OTA 幅相校準方法。本方法主要借鑒矢量網(wǎng)絡分析儀的測試端口校準與測量思路，在進行待測陣測試前，先用一個已計量好的校準陣，放入多探頭OTA 校準系統(tǒng)，對整個OTA 校準系統(tǒng)進行自校準，獲取基準的校準參數(shù)以及校準陣近/遠場之間的傳遞函數(shù)；然后，再將待測陣放入測試系統(tǒng)，利用待測陣的近場測量數(shù)據(jù)以及校準陣的近/遠場傳遞函數(shù)關系，對待測陣的各個通道進行幅相校準。在給出基于校準陣的近場多探頭OTA 測試原理后，本文利用4×4 多探頭天線，研制出了一個測試系統(tǒng)，對方法進行了實測驗證和誤差分析，證實了本方法的可行性、準確性和高效性。

1 基于校準陣的近場多探頭OTA 校準原理

圖1 為二維近場多探頭OTA 校準系統(tǒng)的探頭陣列和待測陣列的陣元排布側面示意圖，下方是待測相控陣，上方為多探頭二維平面陣列，二者的天線 單 元 一 一 對 應，陣 面 間 距d=3λ（1.8 GHz）～9λ（6.0 GHz），λ 為相控陣工作時的信號波長。探頭為雙極化超寬帶Vivaldi 天線，全部安裝在上方的二維掃描架平臺上，探頭間距可程控調(diào)節(jié)，以方便對陣元不同排布的、不同型號5G 相控陣進行幅相校準。為防止外界干擾，所有測量均在高1.0 m、寬1.2 m、長1.5 m 的小型暗箱中進行，待測陣則由暗箱底部的托臺通過側面箱門滑動送入。

圖1 二維多探頭OTA 校準系統(tǒng)的一對一陣元排布側面示意圖

首先，將預先計量好的校準陣放入天線托臺，用近場多探頭OTA 校準系統(tǒng)對校準陣進行近場測量，實測得到校準陣各通道的近場數(shù)據(jù)，并利用校準陣在計量系統(tǒng)下測試得到的遠場數(shù)據(jù)，計算得到各通道的近/遠場傳輸函數(shù)。校準陣的功能非常類似于矢量網(wǎng)絡分析儀中的校準件：一是用作待測陣的基準參考；二是基于近遠場數(shù)據(jù)獲取校準陣的近/遠場線性傳遞函數(shù)；三是起到消除系統(tǒng)部分測量誤差的作用。此過程也可等同看成是系統(tǒng)的自校準測量。

然后，對待測陣進行近場測試，并結合校準陣的近/遠場傳遞函數(shù)，進行近/遠場變換，得到待測陣在遠場的各通道幅相數(shù)據(jù)。

最后，從待測陣中選取參考通道，計算出各通道與參考通道之間的幅相差異，并對各通道的幅相差異進行補償與校對，以完成待測陣各個通道的幅相校準。校準原理如下。

再對式（5）分別取幅值和相位，得到各通道之間的幅度差和相位差：

最后，利用上述測量計算得到的幅相差值，分別對各個通道進行補償，實現(xiàn)對整個待測陣的幅度和相位校準，使其各通道實際與理想的初始相位相同和幅度一致。

2 校準誤差分析

2.1 校準誤差分析

對于測量系統(tǒng)而言，校準誤差來源主要有兩類：系統(tǒng)誤差和隨機誤差。其中，隨機誤差是測量時由噪聲等引入的，通常通過多次平均測量能進行有效抑制。

本方法利用線性近/遠場傳遞函數(shù)建立起待測陣近場區(qū)信號與遠場區(qū)信號的關系，如式（4）所示，其中待測陣近場區(qū)信號可由系統(tǒng)直接測量獲得，遠場區(qū)信號為校準目標。理想情況下待測陣與校準陣的各通道近/遠場傳遞函數(shù)相同，因此本方法利用計量好的校準陣獲取該函數(shù)。但由于校準陣與待測陣在系統(tǒng)中實際測量時，兩者間的放置位置與陣元結構均會存在微小偏差，因此通過校準陣列獲取的與待測陣實際的近/遠場傳遞函數(shù)存在差異，從而導致系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。本文利用全波電磁仿真軟件，對影響該系統(tǒng)誤差的幾個可能的關鍵參量進行了仿真分析。

2.2 誤差仿真分析

為了驗證本文提出校準方法的準確性與可行性，需要研究幾個關鍵參數(shù)對校準誤差的影響。因此本文分別對待測陣與校準陣兩者間的放置位置偏差以及陣元結構偏差兩個參量進行仿真分析。校準陣與變化前的待測陣結構模型相同，如圖2a 所示，為4×4 平面微帶陣列，單元尺寸50 mm×38.4 mm，相鄰間距d=90 mm，工作頻率2.45 GHz，帶寬100 MHz，距離多探頭測量陣列300 mm。陣列各通道的近場信號幅相值，通過近場探針獲取，如圖2b所示。陣列各通道的遠場幅相值，則利用遠場方向圖獲取。

圖2 4×4 二維平面待測陣仿真模型

首先，研究了待測陣與校準陣間在放置位置上的偏差對校準誤差的影響。共設置了6 組參數(shù)，即保證校準陣的狀態(tài)不變，將待測陣沿x軸整體偏移1 mm，2 mm，3 mm 和沿y軸整體偏移1 mm，2 mm，3 mm。校準誤差根據(jù)式（8）進行計算，結果如圖3 所示。幅度和相位校準誤差分別在±0.2 dB以內(nèi)和±0.3°以內(nèi)。結果顯示，當陣列水平偏移在3 mm 以內(nèi)，引起的校準誤差相對較小。

圖3 待測陣與校準陣間的位置差異對校準誤差影響的仿真結果

其次，研究了待測陣與校準陣天線間的陣元結構差異對校準誤差的影響。保證校準陣狀態(tài)不變，共設定了3 種不同待測陣的結構變化場景，如表1所列。表中左側為選取的結構或位置變化的陣列單元編號，右側的參量Lgnd 為變化前待測陣的單元地板長度，Lgnd=55 mm，L為單元貼片長度，L=38.4 mm，W為單元貼片寬度，W=50 mm，如圖2a所示。通過仿真得到的校準誤差結果如圖4 所示，幅度和相位校準誤差分別在±0.4 dB 以內(nèi)和±4.5°以內(nèi)。相比陣列的整體位置偏移，陣元位置微變所引起的校準誤差相對較大，但都在可接受的范圍內(nèi)，初步證實所提校準方法的可行性和準確性。

圖4 待測陣與校準陣間的陣元結構差異對校準誤差影響的仿真結果

表1 待測陣的陣元結構差異及位置偏移取值

3 實驗驗證

基于4×4 雙線極化超寬帶多探頭陣列，研制出一個基于校準陣的近場OTA 幅相校準測量系統(tǒng)，如圖5a 所示，對校準方法的可行性與準確性進行了進一步的實驗驗證。

實測驗證中，設計并制作兩個陣列：待測陣與校準陣。其中待測陣為4×4 空氣微帶相控陣，長600 mm，寬300 mm，如圖5b 所示；其陣元長53.5 mm、寬52.5 mm，工作中心頻率2.45 GHz，帶寬100 MHz。校準陣是一個由遠場校準系統(tǒng)進行標定過的同款空氣微帶陣列。待測陣的陣面距離探頭陣面470 mm （約3.84 個波長），如圖5c 所示。探頭為雙極化Vivaldi 天線，工作帶寬1.8～6.0 GHz、尺寸25 mm×25 mm×150 mm，如圖5d 所示。待測陣和探頭陣均放置于小暗箱中，暗箱高1 m、寬1.2 m、長1.5 m，暗箱底部為待測陣或參考陣放置平臺，暗箱頂部為4×4 多探頭近場測量陣，探頭陣列裝在2 維平面掃描架上，用以構建不同陣列大小、不同陣元間距的探頭陣列，從而適應不同類型5G 相控陣的幅相校準。為保證測試結果的準確性和可靠性，對待測陣進行多次重復測量。

圖5 基于校準陣的近場OTA 幅相校準系統(tǒng)

圖6 待測陣各通道測試推導遠場結果與真實遠場結果對比

圖7 待測陣各通道的校準誤差測試結果

4 結 束 語

本文提出了一種基于校準陣的5G 相控陣近場多探頭OTA 的快速校準方法。此方法通過多探頭陣列對校準陣與待測陣進行參照比對測量，不僅避免了探頭掃描移動、縮減了測試時間、提高了校準測量效率，而且可將暗室高度壓縮到1.0 m，極大地縮減了暗箱尺寸，為測試產(chǎn)線安裝帶來極大的便利。仿真與實測驗證結果證實了方法的可行性、準確性與測試結果的穩(wěn)定性，校準誤差范圍均在±0.5 dB/±5°以內(nèi)，重復實驗校準偏差均在0.2 dB/1.7°以內(nèi)，校準精度基本接近遠場幅相校準精度。相比遠場幅相校準測量系統(tǒng)，基于校準陣的近場多探頭OTA 校準法具有校準速度快、所需暗箱尺寸小等優(yōu)點，在Sub-6 GHz 頻段內(nèi)的5G 相控陣的快速大批量校準應用上展現(xiàn)出很好的應用前景。