一種用于5G毫米波基站及終端測試的緊縮場系統設計

摘要：本文針對5G毫米波基站和終端的測試需求，提出一種新型多功能緊縮場測試系統，通過對轉臺進行特殊設計來兼顧毫米波基站和終端的測試。為滿足5G毫米波基站和終端的OTA測量，并探索太赫茲測量技術，該系統具有6-200GHz的工作帶寬。測試結果表明，設計的毫米波緊縮場靜區幅度錐削低于1dB，幅度波紋低于±0.5dB ，相位波紋小于±5°，交叉極化低于-27dB。

關鍵詞：5G毫米波；緊縮場 OTA；太赫茲；靜區

一、引言

隨著5G移動通信技術和毫米波技術的快速發展，5G毫米波設備的天線、射頻和系統性能測試面臨著新的挑戰。由于高頻設備不再具備傳統使用電纜測試的射頻傳導接口[1]，國際標準化組織3GPP在 TS 38.141中明確要求僅采用OTA（空口）方式進行5G毫米波設備的射頻測試[2]。遠場、近場以及緊縮場等均可以作為5G設備的射頻測試場地。毫米波遠場距離較大，空間損耗嚴重，無法達到帶外雜散測量等需要的底噪要求[3]。多探頭球面近場測量可以在單一場地，通過一次測試便可以獲得有源基站的3D方向圖測試結果，效率較高[4-5]。但是由于不是直接測量，而是采用近遠場變換的方法，相關算法的正確性、各位置的測量準確性，以及參考相位的選取，都將直接影響射頻輻射測試結果[6-7]。緊縮場是進行天線參數測試及目標散射特性測試的理想場地。其主要原理是將饋源發出的球面波通過某種方式在近距離內校準為平面波，形成一個適合測試天線各項指標的平面波區域。由于緊縮場極大縮短了測試距離，從而減小了空間損耗，滿足雜散測試對底噪的基本要求，因此更適應于毫米波的測量[8]。

目前移動通信領域對于5G毫米波帶外指標只能測到90GHz，還無法達到更高頻段比如太赫茲波段的測量。另一方面，在進行毫米波基站和終端的緊縮場測試時各采用一個緊縮場或者更換轉臺分別進行測量的方案，成本較高。本文設計了一種多功能毫米波緊縮場，在同一緊縮場內實現毫米波基站和終端的OTA測試，測試頻率可達到太赫茲波段，極大地減小了場地面積，降低了設計成本，提高了測試效率。

二、緊縮場工作原理

反射面緊縮場有很多類型，主要應用的是反射式緊縮場如單拋物反射面緊縮場、雙柱面緊縮場、前饋卡塞格倫緊縮場等。單旋轉拋物反射面緊縮場由于其高精度，低成本的優點，在移動通信領域被廣泛應用[9]。

對于單旋轉拋物面緊縮場，由幾何光學知識可知，射線由焦點F經過拋物面反射后，在拋物面口面的光程相等，并且產生與拋物面對稱軸平行的平面波，這個平面波區域我們稱之為靜區。通過優化焦直比（F/D）可以減小旋轉拋物面的有限焦距長對靜區的影響，從而獲得最佳的靜區場幅度錐削[9-10]。實際上采用口徑場卷積積分法定量計算緊縮場的靜區特性。其計算思想是先通過幾何光學法計算反射面口徑面上的場分布，可以把這個口徑面當成一個等效源，然后計算等效源在口徑面上的積分從而得到反射面的散射場，最后得到靜區的場分布。為了避免經由拋物面反射回的電磁波和焦點處的饋源之間耦合及遮擋影響，緊縮場的反射面采用偏置方案，即反射面相對于焦點的位置有一定的抬升高度A2，如圖 1所示。為了降低邊緣繞射，采用卷邊處理，其反射面邊緣外形為拋物面與橢圓線漸變融合曲線，通過將衍射波束引導至反射面其他方向從而減小邊緣繞射波進入平面波環境中，提高靜區的質量，如圖 2所示。經過繞射處理后的反射面口面利用率可達到50%～60%。

三、緊縮場系統設計

（一）反射面系統設計

反射面系統由反射面、調節板、反射面背架組成。反射面采用高精度數控CNC加工中心加工，刀具采用硬質合金材質，具有高硬度、高耐溫性，高耐磨性的特點，保證加工過程中不因刀具磨損和變形影響反射面表面質量，其精度可以達到（均方根誤差）以下。而根據緊縮場反射面精度的要求，由最高頻率200GHz計算，可得到，滿足系統對6-200GHz帶寬內的精度要求。反射面背架設有微調機構對反射面角度進行微調，其結構設計準則以剛度為主，能夠克服自重變形和溫度變形。

（二）饋源系統設計

5G頻段具有多樣性，一般分為低頻FR1（Sub-6GHz）和高頻FR2（24.25GHz-52.6GHz）。為了使用更少的饋源實現毫米波帶內測量，采用24-50GHz的寬帶饋源；對于帶外雜散的測試，采用6-24GHz超寬帶饋源和40-60GHz、60-90GHz、90-140GHz、140-220GHz的標準波段饋源結合。與標準頻段饋源相比，采用寬帶及超寬帶的饋源可以在不明顯影響靜區質量的同時，覆蓋較寬的測試頻帶，減小饋源更換次數，提升天線的測試效率。

標準波段饋源采用雙槽波紋喇叭結構，該喇叭由一個TE11模激勵的開口圓波導和兩個波紋扼流槽組成，槽的數量對饋源的波束寬度和駐波比有明顯的影響。饋源的設計滿足在反射面實體內均勻照射，而在邊緣區域盡可能減小照射，以獲得最佳錐削口徑分布。饋源相位中心位置不隨頻率變化，照射角內相位特性的變化相對較小，交叉極化較低，并具有很好的軸對稱性，其結構如圖 3所示。

超寬帶饋源采用脊片外探四脊圓口喇叭結構，其中喇叭內壁和四脊的形狀經過詳細設計，進一步減小駐波，保證波束寬度的穩定性，從而滿足四倍頻的帶寬需求。四脊曲線的終端外探一定長度，高于喇叭壁曲線終端，可以保證饋源方向圖和相位中心的穩定性[11]。加工的超寬帶饋源實物圖如圖 4所示。

（三）轉臺系統設計

為了在同一個緊縮場內實現毫米波基站和終端的測量，需要對轉臺進行了特殊設計。轉臺總體結構如圖 5所示。

轉臺從下而上依次為方位軸、平移導軌、兩側可拆裝立柱和極化（橫滾）軸。用于毫米波基站測試時，負載安裝在連接橫滾軸兩側的橫梁上，極化臺面及橫梁上設計有安裝螺紋孔，用于負載夾具的安裝。用于毫米波終端測試時，將一側立柱及橫梁拆下，橫滾軸作為極化軸。通過此設計，可以在不另外新建緊縮場或者更換整個轉臺的基礎上實現毫米波基站和終端的測量，降低了成本，提高了在毫米波基站和終端測量間切換的效率。

四、靜區電檢測

（一）靜區電檢測方法

考核靜區性能有三項指標，即幅度不平度（包括幅度錐削和幅度波紋）、相位不平度、交叉極化。根據這三項基本指標，確定滿足要求的區域和頻率范圍，即為系統的工作靜區尺寸和頻帶。靜區幅相場分布電檢測采用探頭掃描法，取靜區中心十字截線的場分布結果。

在毫米波波段，探頭掃描系統的長電纜在運動過程中對信號的幅相抖動有較大影響，因此在進行毫米波靜區檢測時，對系統穩定性提出了更高的要求。電檢測現場如圖 6所示，選擇標準增益喇叭作為探頭，在靜區內的某一特定截面的中心十字線上掃描，最終提取典型頻點的檢測結果。交叉極化依據國際通用緊縮場交叉極化測量方法，即在測量十字線上下和左右4個端點處，將場探頭沿軸線旋轉，分別取測量的最小與最大振幅之比。

（二）靜區電檢測結果及分析

靜區的幅相特性選擇6GHz、40GHz、110GHz和200GHz 共4個典型頻點的水平極化測試結果，如圖 7～圖 10所示。十字線的幅度、相位分布以曲線形式給出，對幅度測試曲線進行二次多項式擬合，其中黑色實線為測量曲線，紅色虛線為擬合線。通過比較測試曲線和擬合線的幅度值得到幅度錐削和波紋，通過比較測試線上的相位最大值和最小值得到相位波紋。

靜區的交叉極化特性測試在選定截面的十字線端點處測試。探頭以一定的步進角由主極化狀態轉至交叉極化狀態，幅相測量系統在轉動的過程中測量。選擇中心十字線左、右、上、下共四個端點作為典型位置，其HV測試結果如圖 11所示。

靜區水平極化幅相特性及交叉極化特性測試結果進行統計，結果如表 1和表 2所示。由于高頻信號衰減較大，其交叉極化信號較低，系統達不到精確測量所需要的動態范圍，因此無法進行更高頻段的交叉極化測試。表中僅給出6～80GHz的交叉極化測試結果。

由測試結果可知，在±250mm靜區內，其中心水平截線幅度錐削小于1dB，幅度波紋小于±0.5dB ；相位波紋小于±5°，交叉極化低于-27dB。結果表明，所設計的緊縮場在6～200GHz范圍內，靜區滿足平面波環境的要求，可以進行毫米波基站及終端的測試。

五、結束語

本文設計了一種新型多功能緊縮場測試系統，可以兼顧5G毫米波基站和終端的OTA測試。靜區幅相檢測結果驗證了設計的合理性。該緊縮場的成功應用，將毫米波緊縮場測試頻率提高到200GHz，并極大降低了毫米波測試場地的成本，提高了毫米波的測試效率，推動了5G毫米波基站和終端研發的快速發展。

作者單位：張帆? ? 中國移動通信有限公司研究院

參? 考? 文? 獻

[1] 張瑞艷，邵哲，曹景陽. 大規模陣列天線基站的OTA測試方法研究[J]. 移動通信， 2017，41（5）： 91-96.

[2] 3GPP TS 38.104 V15.4.0 （2019-09） 3rd Generation Partnership Project Technical Specification Group Radio Access Network NR Base Station （BS） radio transmission and reception （Release 16）.

[3] 宮劍，任宇鑫，熊林.5G基站OTA測試場分析[J].數字通信世界，2019（04）：10-12.

[4] Yaghjian， A. An overview of near-field antenna measurements[J]. IEEE Trans on Antennas Propag， 1986， 34（1）：30-45.

[5] James J R. Spherical Near-field Antenna Measurements [J] .Antennas&Propagation IEEE Transactions on . 1988.

[6] Kong H ， Wen Z ， Jing Y ， et al. Midfield Over-the-Air Test： A New OTA RF Performance Test Method for 5G Massive MIMO Devices[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2019， PP（99）：1-5.

[7]李勇，徐黎，李文.5G基站天線OTA測試方法研究[J].移動通信，2018，42（06）：7-10.

[8] Johnson R C ， Ecker H A ， Moore R A . Compact Range Techniques and Measurements[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1969， 17（5）：568-576.

[9]全紹輝，何國瑜，徐永斌，等.一個高性能單反射面緊縮場[J].北京航空航天大學學報，2003（09）：767-769.

[10] 何國瑜，盧才成，洪家才，等.電磁散射的計算和測量[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[11] 北京中測國宇科技有限公司. 一種寬帶脊片外探四脊圓喇叭饋源天線：CN202010360484.6[P]. 2020-08-18.