有源天線系統(tǒng)(AAS)作為即將到來的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的組成部分，越來越受關(guān)注。這些網(wǎng)絡(luò)具有靈活的輻射模式，能夠自適應(yīng)不同的環(huán)境。為了獲得三維空間中有源天線系統(tǒng)(AAS)的所有特性，需要一種新的有源天線測量方法。本文采用一種全新方法來快速準(zhǔn)確獲取有源天線系統(tǒng)的特性。

天線特性

隨著5G時代來臨，多輸入多輸出(MIMO)天線陣列或“大規(guī)模MIMO”，在用戶和網(wǎng)段發(fā)展中都起著舉足輕重的作用。“大規(guī)模”的定義可以從數(shù)組元素相對較少的有源天線陣列系統(tǒng)到涉及數(shù)百個天線的設(shè)計案例。兩者的共同點是分布放大，波束控制和密集天線的全集成。為了準(zhǔn)確描述有源天線系統(tǒng)(ASS)，其總體性能必須在一個經(jīng)過校準(zhǔn)的空中下載(OTA)裝置中確定，因為空中下載(OTA)裝置可以測量空間定向功率和靈敏度曲線。因此，有源天線的性能參數(shù)測試與現(xiàn)有微型移動設(shè)備的測試是非常相似的。

有源天線系統(tǒng)的性能參數(shù)

有源天線系統(tǒng)的性能參數(shù)主要是在遠(yuǎn)場(FF)條件下的定向功率與靈敏度[1]，它們包含：

•有效全向輻射功率— EIRP(θ,Φ)
•總輻射功率— TRP
•有效全向靈敏度— EIS(θ,φ)
•總?cè)蜢`敏度(TIS)或者總輻射靈敏度(TRS)
•天線方向增益— G(θ,φ)

對于一個給定方向的天線，通過使用校準(zhǔn)過的OTA測量裝置，有效全向輻射功率(EIPR)和有效全向靈敏度(EIS)的定向性能參數(shù)都是可以測量的。定向有效全向輻射功率(EIPR)是天線增益加權(quán)的輻射功率。總輻射功率(TRP)是由有效全向輻射功率(EIPR)的全向集成和與天線相關(guān)的全向增益決定的。同樣地，定向有效全向靈敏度(EIS)是由天線的全向增益加權(quán)的總?cè)蜢`敏度(TIS)或總輻射靈敏度(TRS)決定的?？?cè)蜢`敏度(TIS)或總輻射靈敏度(TRS)是由集成定向有效全向靈敏度(EIS)和天線全向增益決定的。

遠(yuǎn)場測量條件

一個普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)，定義了天線的遠(yuǎn)場(FF)的距離是2D2/λ，其中D是天線的直徑，λ是自由空間的波長[2]。電小天線，如移動通信設(shè)備和測量天線，在遠(yuǎn)場(FF)情況下，一般滿足并方便短距離測量。

然而，對于中等大小，或更大的AAS天線系統(tǒng)，遠(yuǎn)場(FF)的測量對測量距離的要求是不切實際的。圖1說明2 GHz的8元陣列天線在不同近場(NF)距離的天線仰角方向圖，以及需要的遠(yuǎn)場（FF）距離?？梢杂^察到，天線仰角方向圖在可用的測量距離下是沒有完全形成的。

圖表1：2 GHz的8元陣列天線在不同的近場(NF)和遠(yuǎn)場(FF)距離測得天線仰角方向圖。

一個給定天線的遠(yuǎn)場(FF)方向圖可以使用緊縮平面場(CATR) [1,2]直接測量，或者使用標(biāo)準(zhǔn)近場(NF)測試技術(shù)[3]的近遠(yuǎn)場變換來決定。近場(NF)測量通常是在三維性能條件下優(yōu)先考慮，因為他們只需很小的物理測量裝置，并且一般認(rèn)為近場測量更快，更準(zhǔn)確。

然而，由于功率守恒，使用校準(zhǔn)過的OTA裝置，AAS的性能參數(shù)可以在任何距離決定。遠(yuǎn)場(NF)到近場(FF)對天線增益的差異可以由近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換技術(shù)[3]確定和補(bǔ)充。

相位補(bǔ)償無源測量方案

由于AAS天線是一種沒有固定相位參考的有源器件，所以在遠(yuǎn)場(FF)情況下的測量可以使用遠(yuǎn)場(FF)的設(shè)置，如緊縮平面場(CATR)或近場(NF)范圍。使用相位補(bǔ)償技術(shù)允許近場(NF)到遠(yuǎn)場(FF)的變換。

一種常見的相位補(bǔ)償方法是全息技術(shù)，在未知測量信號與穩(wěn)定參考信號之間采用不同組合。這是基于同時接收參考和測量信號首選的方法。為了準(zhǔn)確測量調(diào)制信號的相位，相位補(bǔ)償單元(PRU)的設(shè)計包含了所有必要的放大、濾波和信號組合模塊。

相位補(bǔ)償單元(PRU)的驗證

為了模擬真實的AAS天線，使用連接到8陣元無源陣列的帶LTE協(xié)議的移動手機(jī)，作為外部天線(見圖1)。圖2顯示使用相位補(bǔ)償技術(shù)，測量幅度與共極近場(NF)相位之間的比較。這也可以與同一天線的無源測量相比較?？梢钥闯觯瑴y量幅度和相位的相互聯(lián)系是非常緊密的。

利用相位補(bǔ)償單元，設(shè)置BTS天線的中心頻率為1940MHz帶寬為10MHz，使用LTE調(diào)制的相位補(bǔ)償測量。由相位補(bǔ)償技術(shù)引入的誤差相當(dāng)于一個-45 dB水平的噪音。

圖表2：共極，8元陣列天線近場測試。使用相位補(bǔ)償單元，參考測量(左)和有源測量(右)LTE協(xié)議。幅度(頂部)，相位(底部)。

驗證天線的有效全向靈敏度(EIS) (θ,φ)，有效全向輻射功率(EIPR) (θ,Φ)測量

為了驗證近場(NF)測量方法，需要使用有效全向靈敏度(EIS) (θ,φ)和有效全向輻射功率(EIPR) (θ,Φ)的驗證設(shè)備。由于在這個例子中8陣元天線和LTE是可分的，所以有效全向靈敏度(EIS) (θ,φ)和有效全向輻射功率(EIPR) (θ,Φ)結(jié)合設(shè)備的參考性能是由天線增益和執(zhí)行測量LTE設(shè)備的靈敏度或輻射功率決定的。

使用近場(NF)技術(shù)的LTE協(xié)議8元陣列天線的有效全向靈敏度(EIS)測量

8元陣列天線的有效全向靈敏度(EIS)在1940 MHz情況下使用LTE協(xié)議已經(jīng)通過近場(NF)測量并且和參考方案進(jìn)行比較，以此來驗證這種方法。使用相位補(bǔ)償單元，在1940 MHz的中心頻率10 MHz帶寬下，EIS的仰角與方位角方向圖和近場(NF)測量方向圖，在圖3中進(jìn)行了比較。

和所期望的一樣，方向圖形狀在方位和仰角方面都很相似。用這兩種方法測量靈敏度為~1 dB的偏移，是根據(jù)近場(NF)測量和參考方案的不確定因素來判斷的。近場(NF)測量主要的不確定性因素：距離校準(zhǔn)、有效全向靈敏度(EIS)的靈敏度搜索精度。測量敏感性的范圍校準(zhǔn)和靈敏度的搜索精度被認(rèn)為是參考方案主要的不確定性因素。

使用近場(NF)技術(shù)的LTE協(xié)議8陣元陣列天線的有效全向輻射功率(EIPR)測量

8陣元陣列天線的有效全向輻射功率(EIPR)在1940 MHz情況下使用LTE協(xié)議已經(jīng)通過近場(NF)測量并且和參考方案進(jìn)行比較，以此來驗證這種方法。使用相位補(bǔ)償單元，在1940 MHz中心頻率，10 MHz帶寬條件下：有效全向輻射功率(EIPR)的仰角和方位角方向圖和近場(NF)測量方向圖，在圖4中進(jìn)行比較。和所期望的一樣，方向圖形狀在方位和仰角方面都很相似。用這兩種方法在測量靈敏度為~0.5 dB的EIRP偏移，是根據(jù)與近場(NF)測量和參考方案的不確定因素來判斷的。

圖表3：有效全向靈敏度(EIS)對比

總結(jié)

近場(NF)測量技術(shù)在性能參數(shù)測量中已被證明是高效的，如測量有源天線系統(tǒng)(AAS)的有效全向輻射功率(EIPR)和有效全向靈敏度(EIS)。實現(xiàn)的相位補(bǔ)償技術(shù)能夠有效地測量大帶寬調(diào)制信號在近場(NF)的相位，例如LTE，并且允許近場(NF)和遠(yuǎn)場(FF)轉(zhuǎn)換。在作者看來，近場(NF)測量技術(shù)固有的優(yōu)點是：測量精確；5G設(shè)備測試的最佳方法。

圖4：測得的仰角和使用LTE 協(xié)議的8元陣列天線的方位有效全向輻射功率(EIRP) (θ,Φ)的比較

參考文獻(xiàn)

[1] Ericsson contribution, “On radiated testing of AAS BS,” 3GPP R4-132211, May 2013.
[2] ANSI/IEEE Std. 149-1979; Standard Test Procedures for Antennas.
[3] IEEE Recommended Practice for Near-Field Antenna Measurements, IEEE Std, 1720-2012.
[4] L. J. Foged, A. Scannavini, N. Gross, F. Cano-Facila “Accurate Measurement of Transmit and Receive Performance of AAS Antennas in a Multi-Probe Spherical NF System,” IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, Vancouver, British Columbia, Canada,July 19-25, 2015.

作者：Lars Jacob FogedLars Jacob Foged是Microwave Vision的科學(xué)主管和意大利Microwave Vision的副主管。如需聯(lián)系，請您發(fā)送郵件至lars.foged#microwavevision.com。