5G移動通信容量的增加需要在6 GHz以下頻段和毫米波頻率上推出配合網(wǎng)絡和移動終端的大規(guī)模MIMO基站。由于使用動態(tài)波束賦形以及被測設備上沒有射頻測試端口使得空口（OTA）測量對于5G部署至關重要。幸運的是，采用軟件和硬件近場轉(zhuǎn)換的OTA測試解決方案可以應對這一挑戰(zhàn)。

5G新無線電（NR）通信系統(tǒng)，為了增加移動無線電網(wǎng)絡容量，將使用6GHz以下頻段范圍（3GPP稱其為頻率范圍1（FR1））內(nèi)的頻段，和毫米波頻率范圍（FR2）內(nèi)的頻段。由行業(yè)和3GPP選擇的新技術方法承諾以更低的運營費用實現(xiàn)更大的帶寬。

在FR1中，主要的創(chuàng)新努力集中在基站上，實現(xiàn)了大規(guī)模MIMO應用。4G系統(tǒng)使用單用戶MIMO，其中用戶設備（UE）計算逆向信道矩陣以提取單獨的數(shù)據(jù)流。5G多用戶MIMO（MU-MIMO），使用預編碼矩陣技術，將復雜性從UE側(cè)轉(zhuǎn)移到基站側(cè)。這里，每個數(shù)據(jù)流由單獨的接收器獨立接收使用64到512單元的天線陣列進行波束賦形，可減少對使用MU-MIMO的相鄰用戶的干擾。除了有利于采用MU-MIMO增加容量外，波束賦形還有其他優(yōu)點。通過將各個UE對準分配給它們的信號，波束賦形較低的能量消耗可減低整個網(wǎng)絡的運營成本。

在FR2范圍內(nèi)的通信系統(tǒng)，可使用28GHz和39GHz頻率上的大量可用帶寬。不利影響是1米遠距離就有超過60 dB的路徑損耗和附近物體對電磁場的大量吸收。與FR1系統(tǒng)一樣，解決方案是采用天線陣列和波束控制，從而提高網(wǎng)絡中移動設備側(cè)和基站側(cè)的增益。

無論是FR1還是FR2，5G部署都依賴于結(jié)合了調(diào)制解調(diào)器、射頻前端和天線的高度集成解決方案的性能。

挑戰(zhàn)在于定義性能評估的新方法和裝置，因為射頻測試端口逐漸不再配備，而波束控制技術需要系統(tǒng)級測試。在這種情況下，必須測量OTA天線和收發(fā)器性能標準：有效全向輻射功率（EIRP）、總輻射功率（TRP）、有效各向同性靈敏度（EIS）、總各向同性靈敏度（TIS）、誤差矢量幅度（EVM）、相鄰信道泄漏比（ACLR）和頻譜輻射模板（SEM）。評估這些OTA引出了所需測量距離這一關鍵問題。天線特性通常在遠場測量。應當使用直接遠場探測并運用Fraunhofer距離準則（(R = 2D2/λ），在至少有9m長的腔室內(nèi)評估以2.4GHz輻射的75cm大規(guī)模MIMO被測設備。即使是以43.5 GHz發(fā)射的15cm長智能手機也需要6.5m的測試距離。需要用這個距離來建立包圍被測設備的區(qū)域，其中入射場應盡可能均勻并且接近相位差小于22.5度的平面波，稱為靜區(qū)。

研究表明，峰值方向區(qū)域的實際遠場行為可以在比Fraunhofer距離更近的位置出現(xiàn)。這些結(jié)果證明，例如，可以在近至1.14m距離處評估以24GHz頻率發(fā)射的15cm長被測設備的遠場EIRP或EIS性能。距離縮短約70%是以增加縱向錐度誤差（由表觀相位中心與測量坐標系中心偏差引起）為代價取得的。此外，在較短距離上無法準確評估旁瓣電平。雖然在較短距離上進行直接遠場測量對所有應用都不方便，但當考慮應用條件時，存在這樣做的動機。這是因為大型OTA暗室的擁有成本非常高昂并且動態(tài)范圍有限。典型應用可以是“白盒”情況，這時設備的天線位置及其孔徑尺寸是已知的。

近場到遠場

在“白盒”假設下，當輻射孔徑大于靜區(qū)，在被測設備內(nèi)不能精確識別天線或者多個天線同時發(fā)射時，例如，從未安裝在靜區(qū)內(nèi)的被測設備的兩個極端邊緣發(fā)射，可能不適合進行直接遠場測量。于是必須考慮“黑盒”情景，那里輻射電流可以在被測設備內(nèi)任何地方流動。在緊湊環(huán)境中處理此類情況的首選有效方法是采用近場到遠場轉(zhuǎn)換（NF-FF）的軟件，對于NF-FF，靜區(qū)大小問題變得無關緊要。NF-FF的數(shù)學實現(xiàn)可能有所不同，但概念通常一樣：在包圍被測設備的表面上測量電磁場的至少兩個偏振分量（E，H或兩者的混合）的幅度和相位。使用將場傳播到更遠距離的功能處理測量數(shù)據(jù)，并提取遠場輻射分量。根據(jù)Huygens原理，兩個相位復矢量的知識足以精確重建表面外的所有六個場分量。替代轉(zhuǎn)換方法使用球面波展開、平面波展開或積分方程解析，采用利用諸如空間采樣率、掃描區(qū)域或截斷的參數(shù)來提高計算效率或精度的技術。

圖1給出一個商業(yè)系統(tǒng)，能夠使用圓錐切轉(zhuǎn)臺對測設備周圍進行球面掃描，進行直接遠場測量和近場測量。在這個系統(tǒng)上，被測設備位于方位角可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上，而雙極化Vivaldi天線安裝在仰角可旋轉(zhuǎn)的懸臂末端。被測設備上的射頻測試端口連接到矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）；

圖1 球形測量系統(tǒng)（ATS 1000）能夠進行近場軟件轉(zhuǎn)換，測量28 GHz陣列。

測量天線的端口連接到VNA的另外兩個端子，通過測量復數(shù)S參數(shù)實現(xiàn)近場評估。

近場測量方法通常依賴關于無源或射頻饋電天線測試的基本假設：

天線饋電端口所經(jīng)過的信號可以作為相位參考。

此射頻信號是連續(xù)波信號。

互易性適用，因此在相同頻率上的發(fā)射(Tx)輻射圖和接收(Rx)輻射圖相同。

在發(fā)射情況中有可用的解決方法，在那里這些假設不適用。例如，技術手段可以解決不具備天線端口的發(fā)射調(diào)制信號的被測設備。硬件和處理實現(xiàn)檢索傳播相位改變，例如，使用干涉技術，或使用帶額外專用相位參考天線的多端口相位相干接收機。對于類似圖1中系統(tǒng)的系統(tǒng)，這個天線通常連接到方位角轉(zhuǎn)盤。當從幅度測量中提取相位信息時，替代方法包括無相位方法。

然而，接收模式更為復雜。首先，互易假設不適用于移動電話和基站設備，因為接收射頻部件鏈路通常不同于發(fā)射射頻鏈路。對于沒有測試端口的被測設備，由來自探測天線（這里用作發(fā)射器）的入射波產(chǎn)生的射頻前端輸入端的可用功率在近場中無法直接預測。換句話講，不可能將遠場中被測設備的固有接收特性與測試裝置產(chǎn)生的近場耦合效應隔離開。也無法訪問相位基準，于是NF-FF軟件轉(zhuǎn)換變得不可使用。因此，可使用NF-FF軟件在近場中精確評估EIRP，但是不能評估EIS。

收發(fā)性能測量

另一個關鍵問題是無線電收發(fā)器性能的OTA評估，例如EVM、ACLR或SEM。軟件NF-FF方法設計用于處理確定傳播的射頻信號（載波）的周期性部分。然而，這部分信號對評估這些性能參數(shù)沒有意義，因此挑戰(zhàn)在于從載波調(diào)制中提取信息。

第一個難點是這些量很大程度上取決于接收器（發(fā)射模式下的頻譜分析儀或接收模式下的被測設備）的信噪比（SNR）。首先評估完整的三維發(fā)射輻射圖或接收輻射圖，從而確定峰值方向可以克服此難點。然后，可在該特定位置進行解調(diào)，以及執(zhí)行EVM測量或其他測量。問題是，所獲得的值是否可靠并且反映了在遠場中獲得的結(jié)果。在單收發(fā)器情況，只要SNR高于某個取決于調(diào)制方案的閾值，例如，優(yōu)于20dB，近場EVM必須與遠場EVM相同。

對于同時運行的多個獨立收發(fā)器，由于近場中的噪聲系數(shù)依賴于位置，近場EVM可能不會直接與遠場EVM相關。

硬件近場轉(zhuǎn)換

替代的測試方法能夠在近場評估OTA，無需軟件轉(zhuǎn)換，而是采用硬件轉(zhuǎn)換。

其基本設想是在短距離內(nèi)，在指定的靜區(qū)范圍采用物理方法建立遠場條件。這被稱為“間接遠場”。緊湊型天線測量系統(tǒng)（CATR）使用反射器將球面波轉(zhuǎn)換成平面波，反之亦然。按照Fermat最短時間原理，使用拋物面反射器可將平面波聚焦在單個點上。如果使用互易原理，將測量天線放置在該焦點處，則可以產(chǎn)生平面波，因為拋物面反射器將來自測量（或饋電）天線的入射球面波的某個平面分量反射到放置被測設備的靜區(qū)（參閱圖2）。

圖2 使用卷邊反射器的緊湊型天線測試系統(tǒng)，將球面波前校直成平面波前。

CATR系統(tǒng)內(nèi)的誤差主要有兩個來源：反射器幾何形狀 -邊緣處理和表面光滑度（會限制頻率范圍），以及饋電天線特性。如果僅是簡單利用拋物面截面構(gòu)建反射器，那么鋒利的邊緣會引起衍射，這會產(chǎn)生大約2 dB的紋波，從而嚴重污染靜區(qū)。減輕這種現(xiàn)象的技術包括鋸齒形和卷邊，以便將能量從靜區(qū)散開。 鋸齒形/卷邊的大小和形狀決定最低工作頻率，而表面粗糙度決定頻率上限。饋電天線輻射圖特性對靜區(qū)大小有直接影響，因為反射器將饋電天線的輻射方向圖基本上都投射到靜區(qū)。

具有鋸齒形/卷邊的反射器尺寸通常至少是被測設備/靜區(qū)尺寸的2倍，其中帶尖銳邊緣的反射器是靜區(qū)大小的3至4倍。到被測設備的最佳反射器分離距離是反射器焦距的5/3。用范圍大致為0.3到1的焦距與拋物面直徑之比，可以從制造形狀公差推出最佳焦距。

由于靜區(qū)大小取決于反射器特性而不是范圍長度，因此在小型腔室內(nèi)建立大靜區(qū)更容易些。圖3顯示在28 GHz的CATR中測得的27cm靜區(qū)大小，類似于圖2所示的，采用42 cm×42 cm反射器。

這種CATR裝置適合放置在小至2 m×1.5 m×0.85 m的腔室內(nèi)。具有相同靜區(qū)尺寸的直接遠場測量系統(tǒng)需要14.5米的范圍。這些技術對于測試在5G NR FR2中運行的UE或基站非常有意義，可顯著降低對測試場地大小的要求。

圖3 卷邊緊湊型系統(tǒng)的28 GHz、2 dB幅度錐形靜區(qū)，以及直接遠場系統(tǒng)。

此外，CATR有與遠場系統(tǒng)相同的能力，即，能夠瞬間測量和直接測量射頻收發(fā)器的發(fā)射和接收性能。由于這種系統(tǒng)的路徑損耗僅發(fā)生在波在饋電和反射器間傳播的有限區(qū)域之間，CATR系統(tǒng)的動態(tài)范圍優(yōu)于直接遠場方法。以圖3為例，CATR系統(tǒng)的焦距為0.7 m，相當于長14 m的等效遠場范圍，二者有26 dB的路徑損耗差異。

平面波合成

CATR反射器通常用一塊實心鋁制造，以滿足嚴格的表面幾何形狀要求。5G FR2被測設備尺寸要求考慮緊湊且相當輕的反射器（20至40 kg）。在5G FR1范圍內(nèi)，反射器重量顯著增加，用于基站被測設備的甚至高達數(shù)百kg。體量大的重型反射器成本、制造時間和加工難度常常讓人望而卻步。重量輕且成本效益好的替代方案是使用“電子版”的CATR反射器。通過組合由相控陣列組裝而成并饋送預定信號幅度和相位的多個天線的輻射，可在限定的靜區(qū)內(nèi)建立平面波。這種近場聚焦技術的一種版本，在麻省理工學院林肯實驗室用于測量大型相控陣雷達已有數(shù)年之久，并已被3GPP提議作為基站OTA測量的基準。

圖4所示為2018年歐洲天線和傳播會議上報告的平面波轉(zhuǎn)換（PWC）系統(tǒng)。它包括由156個寬帶Vivaldi天線組成的陣列，后面是由許多移相器和衰減器組成的波束賦形網(wǎng)絡。這個PWC陣列寬1.8米，在2.3至3.8GHz的頻率范圍內(nèi)，在距離短至1.5米的地方形成1米直徑的球面靜區(qū)。在圖4的裝置中，被測設備（這里為校準天線）安裝在組合軸轉(zhuǎn)臺上，可實現(xiàn)全球面測量。

圖4 R&S PWC200顯示PWC天線陣列和安裝在大圓切轉(zhuǎn)臺上的校準陣列。

圖5 使用R&S PWC200測量單個20 MHz載波的EVM。

校準天線用于評估此PWC陣列各個射頻信道的適當補償，以及確定整個測試系統(tǒng)的路徑損耗。此PWC系統(tǒng)是互易的，只有一個射頻輸入/輸出端，可以連接到信號發(fā)生器、頻譜分析儀或VNA，可以測量帶或不帶射頻測試端口的設備。

圖5顯示借助羅德與施瓦茨公司的矢量信號發(fā)生器，針對有5個20 MHz載波（頻率范圍為2.35至2.45 GHz）的OFDM信號，使用此PWC測量單個載波的EVM。輸出功率為5 dBm，并饋送到60 cm×60 cm的貼片陣列被測設備。解調(diào)由連接到PWC的羅德與施瓦茨公司矢量信號分析儀執(zhí)行，測量范圍為30.72 MHz。其EVM低至0.41％，大致相當于測量儀器的內(nèi)部EVM。其他4個載波的EVM測量結(jié)果低于0.5％，這表明此PWC使測量裝置增加的EVM可忽略不計。

采用軟件轉(zhuǎn)換的近場技術適合評估EIRP和TRP的大小。當接收或解調(diào)涉及使用多個不同射頻收發(fā)器的被測設備時，利用諸如CATR和PWC的硬件場轉(zhuǎn)換方法可克服軟件NF-FF的限制。這些硬件場轉(zhuǎn)換方法也為直接遠場測量提供了緊湊、可靠的替代方案，從而使它們非常適合UE和基站的3GPP 射頻一致性測試。