5G 基站天线一体化空口性能测试场适用性分析

喻春，王成宇，胡波

（重庆信息通信研究院，重庆，401336）

0 引言

对5G 基站天线而言，天线与RRU 集成在一起，一方面电磁耦合、有源驻波等干扰因素不能完全消除；另一方面，有源天线的校准及幅相加权是通过各个射频通道上的一系列有源器件配合完成的，与无源天线阵列通过无源的功分网络来进行幅相加权的方式差别很大。所以对于采用了大规模MIMO 有源天线技术的5G 基站而言，一体化OTA 测试方式才能有效反映其性能指标。尤其到了毫米波频段，频段更高，设备尺寸更小，电磁干扰问题更加突出，拆分测试已不具实用意义，只能采用一体化OTA 测试方案。

1 测试需求与标准

（1）测试需求

对于5G 频段，目前我国仅对FR1 中的频段进行了分配，其中中国移动使用2515MHz-2675MHz（频段号为n41）和4800MHz-4900MHz（频段号为n79）；中国电信使用3400MHz-3500MHz（频段号为n78）；中国联通使用3500MHz-3600MHz（频段号为n78）；广电网络使用700MHz 频段。

从频谱划分来看，n41 频段使用到100MHz 的带宽，n78 是全球主要频段，目前很多国家的5G 试点均采用n78的3.5GHz 频段，电信和联通采用共建站的方式实现网络部署，则单个基站带宽达到200MHz，因此测试来看需要场地和仪表满足大带宽的测试需求。

（2）测试方法标准

目前关于5G 基站天线的国际标准有：3GPP TS 38.141-1《NR Base Station (BS) conformance testing Part 1:Conducted conformance testing》，NR基站传导性能测试；3GPP TS 38.141-2《NR Base Station (BS)conformance testing Part 2:Radiated conformance testing》，NR 基站辐射性能测试；以及等同的ETSI TS 138.141-1/138.141-2。

作为5G 网络架构、协议标准的制定者，3GPP 标准化组织规定了type 1-C/1-H/1-O/2-O 四种从物理结构和频率划分上的基站类型。FR1 sub6G 频段内的1-C 类型单通道基站到天线的连接，1-H 为基站通过功分网络多通道连接至天线阵列，1-O 类型为天线、功分网络与射频单元完全一体化的结构，FR2 毫米波频段内为2-O 类型一体化的基站。该标准规定了基站整机传导和空口的测试方法以及技术指标要求，也明确规定了不同基站类型所需测试的指标参数。

2 5G 基站天线空口性能测试场地

5G 基站标准中定义的1-C、1-H、1-O、2-O 共4 种类型的基站，其中1-H、1-O、2-O 需采用空口OTA（over the air）的方式进行测试。特别是FR1 频段的1-O 类型和FR2 频段的2-O 类型基站全部指标需采用OTA 测试。采用OTA 测试方式，自然需要电波暗室，常见的测试场有室内远场、紧缩场、近场、电波混响室这几类。前三种均在全电波暗室环境下进行，而电波混响室则是一个电大尺寸且具有高导电反射墙面构成的屏蔽腔室。几类电波暗室对于5G 基站天线的测试各有优缺点，不同的电波暗室适用于不同的性能指标测试。

（1）室内远场

图1 室内远场

室内远场以在一个全电波暗室的空间内，点对点收发的直接测试方式，收发距离需至少满足远场距离d=2D2/λ，其中d 为发射天线到接收天线的距离，D 为被测天线的口径，λ 为被测天线发射电磁波的波长。以3.5GHz 的天线，尺寸口径为0.8 米为例，远场距离则大约需要15 米，暗室尺寸长宽高预计约为20×10×10 米。如果频率低一些，天线尺寸会更大，则暗室尺寸则需要更大才能满足测试条件。因此室内远场需要满足不同天线的测试需求，则需要做得足够大，建设成本较高。

（2）近场

被测天线与参考天线间的距离d ≤2D2/λ 或10λ，此类场地的优点是占用空间小、建设成本相对较低。具有代表性的近场是MVG 公司的球面近场多探头测试系统，该测试系统通过多探头的快速切换和测试天线绕方位轴步进旋转，能够快速测试被测天线的球面近场幅度和相位数据。球面近场测试方式目前仅可用CW（连续波）模式下的方向图测试，调制信号的测试暂未验证其可行性。

图2 球面近场

（3）紧缩场

紧缩场属于远场的测试方式，它利用反射镜或透镜把位于焦点处的馈源发出的球面波转换为平面波，从而实现有限物理空间内的远场测试。参考天线与被测天线的距离较直接远场可以缩短，但测试动态范围比直接远场小。紧缩场的静区大小受反射面大小影响，因此要获得足够大的静区，其反射面成本较高，所以整体建设成本和维护成本也较高。

（4）电波混响室

电波混响室是一个电大尺寸且具有高导电反射墙面构成的屏蔽腔室，腔室中通常安装一个或几个机械式搅拌器或调谐器，通过搅拌器的转动改变腔室的边界条件，进而在腔室内形成统计均匀、各向同性和随机极化的电磁环境。所以混响室可用于多种涉及辐射场的测试，其中就包括天线效率、辐射功率等。相较于传统电波暗室，其对于5G 基站天线辐射功率的测试高效且成本较低，比较适合用于各类辐射功率指标的测试。

图3 紧缩场

图4 电波混响室

3 5G 基站天线性能测试指标

由于5G 基站天线相较于传统2/3/4G 的天线，将RRU与天线“合二为一”，集成度更高，性能指标的测试也更加复杂。因此对于其性能测试需要将整体进行“一分为二”，一体化天线方向图和OTA 性能两部分。其中天线方向图相较于传统板状无源天线，测试原理类似，测试仪表由网络分析仪变为频谱分析仪，本文不再进行技术分析，可参考传统无源天线的测试方法测试方向图。

5G 基站天线OTA 性能分发射指标、接收指标两部分，相较于传统基站指标而言，衡量其指标的方式由传导的方式变为了空口（OTA）的方式。业内一般称为辐射发射指标、辐射接收指标。

辐射发射指标有EIRP（等效全向辐射功率）、TRP（总辐射功率）、EVM（矢量幅度误差）、ACLR（临道功率抑制比）、发射机杂散、发射机互调等；辐射接收指标有EIS（等效全向灵敏度）、ACS（临道选择性）、ICS（带内选择性）阻塞、接收机杂散、接收机互调等；各类OTA 性能指标的测试因为OTA 的方式相较于传统的传导方式测试有所不同。

4 5G 基站天线性能发射指标分析

5G 基站辐射发射性能，对于发射机主要为下行指标，下行指标的测试内容主要为功率、频率误差、幅度误差、占用带宽等，其测试方式采用特定的波束方向测试、球面网格点两种不同测试范围。如表1 根据标准列出了各指标评价方式和测试范围，TRP（总辐射功率）的测试按照3GPP TS 38.141-2 中规定的网格点的所有EIRP，然后按公式1 进行计算：

表1 发射指标评价方式

其中N 和M 为球坐标系上θ 和φ 角度上测试点个数，EIRP（θn,φm）为每个单独的测试点，采样角度间隔根据天线大小和频率确定。

对于标准中发射指标，EIRP、EVM 等指标OTA 测试时需要在电波暗室环境条件下测试特定波束方向上的射频指标即可，测试方法和传导射频测试方式类似。然而TRP 测试则需要测试以5G 基站天线为球心的三维球面上各个采样点的EIRP，最后通过公式(1)进行计算得出TRP。对于此种TRP 测试方式，则是需要在室内远场、紧缩场等较大暗室空间中进行，测试精确度高，对整个测试项目周期耗时较长。因此在保证测试精度的情况下，为了缩短测试项目周期，TRP 的测试可以选择测试效率更高的电波混响室作为1GHz以上的频率范围的测试场地。

电波混响室可以较大缩短测试周期，但仅限于在高频部分且只针对5G 基站天线本身发出的辐射功率进行测试。共址杂散以及极限温度条件下的辐射功率测试，均需要有足够大的静区安装共址天线和温度罩进行测试，另外互调测试同样需要共址天线馈入互调信号。因此对于这几个测试指标仍需选择室内远场、紧缩场等拥有较大静区的电波暗室作为测试环境。

5 5G 基站天线性能接收指标分析

接收指标也叫做上行指标，是衡量5G 基站接收用户终端信号的能力，主要从两个方面验证。一是在基站接收信号吞吐量不低于95%的信号电平要足够低，二是在受到主频周围大干扰信号时，吞吐量需保持不低于95%的水平。根据标准规定，接收指标除接收机杂散外，其余指标只需在特定波束方向上测试即可，见表2。

表2 接收指标评价方式

EIS 测试时，作为发射端，发送信号大小均比较低，各类场地的测试环境均可满足要求。对于临道选择性、阻塞等类型的指标测试，则需要保证足够的链路增益，以确保干扰信号达到作为接收端的5G 基站天线口面时，功率满足标准规定的大小，因此可以考虑单探头近场（链路损耗最小）、室内远场、紧缩场这几种测试方式。根据标准要求，阻塞和临道选择的干扰信号功率大小在-50～-60dBm 范围左右，室内远场根据15 米的距离，则可以计算出损耗在67dB 左右，紧缩场则因为路径距离更近，损耗预计为60dB 左右。从干扰信号功率大小和测试场地路径损耗分析，室内远场和紧缩场则需要加功放才能满足要求，而单探头近场则可以缩短收发距离，不需要再额外增加路径中的放大器。其中共址阻塞和带外阻塞，需要安装共址天线和频带外的发射天线，因此考虑单探头近场和室内远场的方式作为可选的测量方式。

6 结束语

本文从5G 基站天线性能空口一体化测试的标准条款中，逐个测试项目分析不同测试场地的适用性，得出表3 中的不同指标参数参考的测试场地。可以看出5G 基站天线性能测试由于采用OTA 空口测试，导致了测试相较于2/3/4G基站天线更加复杂和繁琐，单个类型的场地已不能完全满足5G 基站天线的性能测试，需综合各类型场地的优势满足不同的性能指标的高精度、高效率测试。本文分析得出了不同性能指标测试的场地优势，为5G 基站天线一体化空口性能的高效测试提供参考。