5G NR毫米波无线电OTA测试基础教程

Ibrahim Haroun, Senior Member, IEEE Research Scientist/ RF Systems Developer (retired)

本教程介绍OTA测试，可作为5G毫米波收发器一致性测试的快速参考。介绍并讨论了使用直接和间接远场（即紧凑型天线测试范围（CATR））方法进行OTA测试的概念，以及执行OTA一致性测试的基本知识。还介绍了选择最佳OTA测试系统所必需的天线基础知识和天线阵列背景。介绍并解释了3GPP标准所要求的5G NR收发器强制性OTA一致性测试。

5G新无线电（NR）是由第三代合作伙伴计划（3GPP）开发的一种无线电接入技术（RAT）。¹该技术的主要目标包括增强型移动宽带（eMBB）、高达10Gbps的下行链路数据速率、与物联网相关的海量机器类通信（mMTC）以及超可靠低延迟通信（uRLLC）。此外，毫米波5G NR系统支持高达400MHz的带宽。

5G NR有许多频段，从600MHz到52.5GHz不等。在美国，分配给5G系统的工作频率被指定为FR1和FR2（FR=频率范围）。FR1频段从410MHz到7.125GHz，用于传输大部分传统蜂窝移动通信流量。FR2频段（24.25至52.6GHz）侧重于短距离和高数据传输速率。毫米波频谱还分配了额外的频率，从24GHz到95GHz。在美国，有三个频段（28、37至39和40GHz）专门用于5G NR。这些频段提供了足够的带宽来支持所需的Gbps数据速率。

5G毫米波设备中天线与射频前端的集成是一项重大挑战，因为此类设备无法使用传统同轴电缆连接到测试仪器。这使得OTA测试²成为鉴定5G毫米波设备特性的唯一选择。OTA测试使用天线而不是电缆将设备连接到测试仪器。在FR2频段工作的5G毫米波收发器必须采用OTA测试方法进行射频一致性测试。

由于雨水、大气吸收和高频率等原因，毫米波信号在自由空间的传播路径损耗严重。它们还容易受到人体、车辆和树叶的阻挡，从而影响接收器的信噪比（SNR），降低接收器的吞吐量。此外，毫米波信号的传播效应也限制了链路的覆盖范围。

在5G NR系统中，可以通过使用多输入多输出（MIMO）天线和波束赋形技术来减轻这些传播影响。在波束赋形系统中，天线阵列中每个天线单元发出的窄定向波束通过电子方式转向特定方向，以提高系统的选择性。在5G NR中使用多输入多输出（MIMO）和波束赋形技术可减少其他系统方向上的非预期辐射，扩大覆盖范围，并提高接收器的等效各向同性灵敏度，从而增加接收器的吞吐量。

5G NR毫米波射频OTA测试方法

OTA测试系统使用天线将被测设备连接到测试仪器。因此，测试天线是测试装置中的关键因素，会影响测量结果。天线是引导电信号和自由空间之间的界面。它将无线电发射机的电信号转化为在自由空间传播的电磁波，并将电磁波转化为电信号供无线电接收机处理。天线的特征是通过测量其在近场或远场区域（见图1）的辐射方向图来确定的。³

图1：天线的近场和远场区域。

近场区域（也称为菲涅尔区域）和远场区域（称为弗劳恩霍夫区域）的边界由以下公式给出：

其中，R是天线到观测点的距离，D是天线的最大尺寸（以米为单位），λ是传播信号的自由空间波长（以米为单位）。

在远场区域，天线传播的球形波可以近似为平面波（即波的相位几乎不变）。因此，只需测量信号的振幅，从而简化了测量。常见的OTA测试方法采用直接和间接远场测量。

直接远场(DFF)测量

在天线的远场区域，来自天线的辐射电磁波被视为平面波；在这一区域，场与天线的距离无关。DFF测量在暗室中进行，以防止任何外部干扰影响测量。图2a显示的是暗室，图2b显示的是球坐标系。

图2a：DFF测量测试装置。

图2b：球面坐标系

在图2a中，腔室壁上的金字塔形辐射吸收材料(RAM)可以防止来自腔室壁的任何反射。这些墙壁由金属制成，以防止外部干扰进入暗室。在此测试装置中，发射天线用于在远场区域照射被测天线（AUT）。AUT安装在定位器/转盘上；转盘可在方位平面（即x-y平面）上旋转0至360度（φ角）。AUT也可正交旋转0至180度（即θ角）。

定位器和转盘由一个控制单元控制，该控制单元与放置在舱外的计算机相连。在图2a的测试装置中，矢量网络分析仪（VNA）的端口1连接到发射天线，端口2连接到被测设备。也可使用信号发生器和频谱分析仪进行测试。DFF方法在毫米波频率下的传播路径损耗较大。路径损耗为：

其中，λ是信号波长，d是发射天线和接收天线之间的距离。

虽然毫米波频率的路径损耗很高，但可以通过射频放大器来缓解，但系统成本会增加。此外，满足远场条件所需的物理空间也很大。因此，对于在FR2频段工作的5G NR无线电设备来说，DFF测试方法效益不高。一种替代方法是使用CATR的间接远场(IFF)方法。

CATR

CATR^4,5是一种IFF测量方法，与远场（即>2D²/λ）所需的距离相比，它能在短距离内产生近似平面波。在这种方法中，喇叭天线（称为馈源）位于抛物面反射器的焦点处，抛物面反射器将来自喇叭天线的场重塑为局部区域，提供理想的均匀相位和振幅分布。该区域被称为静区（QZ），用于进行天线远场测量。图3显示了CATR及其QZ。CATR是进行精确OTA测量的最经济的选择。它的路径损耗也比DFF暗室低得多。图4显示了一个实用的CATR系统。⁴

图3：CATR及其QZ的示意图。

图4：实用CATR系统。⁴

天线基础知识和弗里斯方程

在5G毫米波收发器中，天线与射频前端集成在一起，无法单独进行表征。因此，通过测量系统的指令参数（如等效各向同性灵敏度(ESI)、等效各向同性辐射功率(EIRP)和误差矢量幅度(EVM)）来评估天线。了解天线辐射特性对于解释OTA测量结果至关重要。

天线辐射方向图

天线的辐射图是辐射场/功率与远场一定距离的空间坐标的函数关系图。通常在两个正交平面（E平面和H平面）上进行测量。E平面方向图测量的是电场与θ的函数关系（其中φ=0度），而H平面测量的是电场与φ的函数关系（其中θ=90度）。在远场中，电场E和磁场H相互垂直，且与传播方向垂直。E场和H场之间的关系是自由空间特征阻抗η，即120π或377欧姆（η=E/H）。这些平面与天线的方向有关。图5显示了天线的远场辐射参数。

图5：天线辐射参数

在理想的天线中，100%的辐射功率都集中在主瓣上，不存在其他旁瓣。然而，在实际天线中，由于天线制造工艺和材料的原因，会存在额外的旁瓣。这些旁瓣代表了不需要的辐射，可能会干扰其他共用系统。辐射方向图可提供有关天线辐射参数的有用信息。这些参数包括：

•        半功率波束宽度(HPBW)，定义为主波束的3dB波束宽度。它表示波束的锐利程度

•        主瓣波束宽度(FNBW)，表示主波束的形状

•        第一旁瓣电平，以dB为单位（相对于主瓣），这是非预期辐射的指标

•        前后比（主瓣峰值与后瓣峰值之比），表示天线的指向性。

天线增益

天线增益是一种被动现象。因此，天线不会增加功率，而是重新分配功率，向特定方向提供更多功率。这种定向辐射功率比各向同性天线传输的功率更大。各向同性天线是一种假想的天线，它在所有方向上的辐射都相同。它无法在实践中实现，但可作为分析的参考。当天线的增益增加时，波束宽度就会变窄，从而产生指向性更强的辐射方向图。如果使用参考的各向同性天线来估算天线的增益，增益将以dBi（即相对于各向同性的分贝）表示，但如果参考的是偶极子天线（全向天线），增益将以dBd（相对于偶极子的分贝，0dBd=2.15dBi）表示。图6显示了全向天线的辐射方向图。

图6：全向天线的辐射方向图。

对于没有损耗机制的各向同性天线，输入功率和辐射功率是相同的。然而，对于实际天线来说，损耗会降低其辐射效率η_rad。因此，天线增益可表示为：

其中D是天线的指向性。指向性是衡量天线将辐射能量导向特定方向的能力。指向性定义为特定方向上的最大辐射强度U(θ,φ)_max与所有方向上的平均辐射强度U(θ,φ)_ra之比，D由以下公式得出：

对于各向同性天线，平均辐射强度的计算公式为：

其中P_t为总辐射功率。对于指向性天线，辐射密度表示为：

其中，r是包围辐射天线的假想球体的半径，4πr²是任意给定距离上球体的横截面积，G_t是天线增益。如果已知天线的波束宽度，则可使用近似表达式估算其指向性：

其中θ_HP和ϕ_HP是两个主要正交平面的半功率波束宽度。

该公式假定图案只有一个主瓣。θ_HPφ_HP的乘积称为波束面积，也可用Ω_A表示，其中：

其中，sr是立体度（1sr=1rad²），P_n是归一化辐射功率。

波束面积Ω_A是辐射功率流经的实角。天线增益通常与EIRP相关联，EIRP是各向同性天线在最大增益方向上产生峰值功率密度时的辐射功率。因此，EIRP表示为：

其中P_t为发射功率。EIRP以dBm为单位，以简化以发射功率与接收功率之比计算传播路径损耗的过程。

有几种商业软件天线设计工具^6-10可以计算上述天线参数。

天线效率

天线效率(η_rad)是总辐射功率与天线输入功率之比，其计算公式为：

其中，P_rad是天线的辐射功率，P_in是馈入天线输入端的发射机输出功率，P_loss是由于天线材料造成的天线功率损耗。

天线孔径和孔径效率

孔径天线是指具有明确孔径区域的天线，辐射从孔径区域产生。此类天线包括反射天线、喇叭天线和微带天线阵列。由于天线孔径上的场/电流并不均匀，因此有效孔径A_e小于物理孔径A_p。孔径效率表示为：

有效孔径的定义是：

天线的最大指向性受其孔径的振幅和相位特性影响，其表达式为：

天线带宽

天线的带宽是天线参数（如输入阻抗、增益、指向性、波束宽度和旁瓣水平）必须满足系统规格的频率范围。

天线极化

天线极化描述了电场相对于传播平面的方向。接收天线只能截获与其极化方向一致的电场分量。常用的三种极化是线性极化（垂直和水平）、椭圆极化和圆极化（右手和左手）。图7a显示了垂直极化天线，图7b显示了其辐射电磁波的E场和H场。如果发射天线和接收天线的极化不同，则会丢失部分信号；如果极化相差90度，则接收不到任何信号。

图7：垂直极化喇叭天线（a）及其辐射电磁波的E场和H场（b）。

天线输入阻抗

天线被视为单端口网络，可以用其S₁₁参数（即散射参数）或反射系数(Γ)来描述。在知道Γ的情况下，天线的输入阻抗可由以下公式计算得出：

其中Z_o是连接天线的传输线的特征阻抗。天线阻抗是一个复数，其值为：

其中R_ant是天线阻抗的电阻部分，X_ant是天线阻抗的反应（reactive）部分。天线与无线电系统射频前端之间的阻抗匹配应确保最大功率传输。

在无线电发射机中，如果天线不匹配，发射机的输出功率就会降低，从而影响通信距离。在无线电接收器中，如果天线不匹配，信噪比就会降低，从而导致吞吐量减少。

弗里斯传输方程

弗里斯传输方程将接收功率与发射功率联系起来，其中发射天线与接收天线相距r（假设接收器位于远场）。功率比表示为：

其中，G_r和G_t分别是发射天线和接收天线的增益，λ是发射信号的波长，r是两天线之间的距离。

接收功率可以dBm为单位表示为：

其中，20log(4πr/λ)是传播路径损耗，单位为dB。在毫米波频率下，传播路径相对于微波频率增加，导致接收信号的功率降低，影响接收机的吞吐量。

天线阵列

天线阵列是一组天线单元放置在空间形成具有特定特性的阵列。这些特性可以通过根据每个天线单元的相对位置改变对其激励的振幅和相位来实现。总辐射场由每个单元辐射场的矢量加法决定。天线阵列的优点包括增益高、指向性强、能将辐射功率集中在特定方向的波束中，并能以电子方式对波束进行转向。

图8是n元微带天线阵列的示意图，其中θ是无线电波的到达角，n是天线单元数，d是相邻单元之间的间距。对于单元间距相等的n元天线阵列，总电场由以下公式给出：

和

其中，ψ是路径长度差产生的相位差，δ是单元之间的渐进相移（即任一单元中的电流领先于前一单元中的电流的相位），E_o是单元的电场。根据公式(20)，单元之间的相对相位取决于到达角、每个单元中的电流相位以及单元之间的间距。前面总电场公式可写成：

图8：n元微带天线阵列示意图。

对整个阵列的辐射方向图进行建模的传统方法是将一个单元的方向图乘以一个阵列因子。阵列因子是在天线单元各向同性的情况下产生的辐射方向图。因此，前面公式可表示为：

此公式被称为方向图乘法，其中E_element是单元场的振幅，AF是阵列因子，其公式为：

阵列因子并不取决于阵列中使用的单元类型，而是取决于它们的间距和辐射单元之间的相位差。图9显示了7元和13元天线阵列的模拟辐射方向图。需要注意的是，将单元数从7个增加到13个会产生更窄的天线波束，这有助于减少对其他同地无线电系统的干扰。

图9：7元（a）和13元（b）线性阵列的模拟阵列因子。

5G基站的OTA一致性测试

在5G毫米波基站收发器（在FR2波段工作）的OTA测试中，^5,11,12 测试规格是在辐射接口边界（RIB）上定义的。图10显示了1-O型和2-O型基站OTA测试的RIB。²

图10：用于基站1-O类OTA测试的RIB。

5G NR发射机的OTA一致性测试

表1列出了5G毫米波基站发射机的强制性OTA一致性测试。

表1：5G毫米波基站发射机的测试要求

在表1中，输出功率是指发射机开启期间在RIB上定义的总辐射功率(TRP)。对于波束峰值方向在OTA峰值方向设置范围内的任何波束赋形设置，都必须满足这一要求。

总功率动态范围是指定参考条件下正交频分复用（OFDM）符号的最大和最小发射功率之差。这一要求适用于工作频段内支持传输的每个RIB。

发射机瞬变周期是指发射机从"关"变为"开"或从"开"变为"关"的时间。这一要求适用于工作频段内支持传输的每个RIB。

频率误差是实际基站发射频率与分配频率之间的差值。它被定义为RIB的定向要求，并在OTA覆盖范围内满足。

调制质量的定义是测量载波信号与参考信号之间的差值。它以EVM表示，并被定义为在OTA覆盖范围内RIB必须满足的定向要求。

时间对齐误差（TAE）是两个不同NR信号之间最大的时间差。它被定义为RIB的定向要求，并在OTA覆盖范围内满足。

占用带宽是一个频段的宽度，在低于频率下限和高于频率上限时，发射的平均功率各等于总平均发射功率的0.5%。这一要求适用于发射机开启期间的单个发射载波。它被定义为定向要求，并在RIB上满足。

相邻信道泄漏功率比(ACLR)是以指定信道频率为中心的滤波平均功率与以相邻信道频率为中心的滤波平均功率之比。测量功率为TRP。这一要求在发射机开启期间的RIB上确定。

工作频段无用辐射(OUBE)是指下行链路工作频段内的所有无用辐射，以及该频段上方10MHz和下方10MHz的频率范围。

发射机杂散发射极限适用于30MHz至下行链路工作频带上频率边缘的二次谐波，不包括下行链路工作频带最低频率以下Δf_OBUE至下行链路工作频带最高频率以上Δf_OBUE的频率范围（例如，对于2-O型基站，Δf_OBUE为1500MHz）。

发射机互调（IM）是衡量发射机防止在其非线性单元中产生信号的能力，信号产生的原因是想要的信号和干扰信号通过无线电分配网络和天线阵列从共用基站到达发射机。该测试适用于在工作频带内支持传输的每个无线电分配网络。

5G NR接收机的OTA一致性测试

在5G基站接收器的OTA测试中，接收器性能参数是通过测量吞吐量来评估的；吞吐量应≥最大值的95%。表2列出了5G毫米波基站所需的接收器OTA测试。

表2：5G毫米波基站接收机的OTA测试要求

参考灵敏度功率电平(P_REFSENS)是接收机波束峰方向QZ中心的等效各向同性灵敏度(EIS)电平。吞吐量应达到或超过指定参考测量信道的要求。参考接收灵敏度的定义是假设位于QZ中心的参考天线为0dBi。它是一个方向性要求，由以下公式给出：

和

其中：BW=信道带宽，单位Hz；NF=接收机的噪声系数，单位为dB。

天线增益越大，接收机的灵敏度越高。因此，接收机的最高灵敏度位于天线波束的峰值方向。因此，应在波束峰值方向（θ_max,φ_max）测试接收机性能。

动态范围是衡量其在接收信道带宽内存在干扰信号的情况下接收所需信号的能力。当接收到的入射波的到达角（AoA）和干扰信号的到达角（AoA）来自同一方向时，该要求适用于RIB。在极化匹配的假设下，想要的信号和干扰信号适用于所有支持的极化。

相邻信道选择性（ACS）是衡量接收机在存在OTA相邻信道信号的情况下，在其指定信道频率上接收OTA所需的信号的能力。当接收信号的入射波和干扰信号的AoA来自同一方向时，该要求适用于RIB。在极化匹配的假设下，想要的信号和干扰信号适用于所有支持的极化。吞吐量必须≥参考测量信道最大吞吐量的95%。

带内阻塞是衡量接收机在指定信道中接收OTA信号的能力，该信道存在不需要的OTA干扰源，即具有一个资源块（RB）的NR信号。当接收信号的入射波和干扰信号的AoA相同时，该要求适用于RIB。在极化匹配的假设下，想要的信号和干扰信号适用于所有支持的极化。吞吐量≥参考测量信道最大吞吐量的95%，同时接收OTA信号和OTA干扰信号。

带外阻塞是衡量接收机在指定信道的RIB处，在存在干扰信号的情况下接收所需信号的能力。当接收信号的入射波和干扰信号的AoA相同时，要求在RIB处接收信号。在极化匹配的假设下，想要的信号适用于所有支持的极化。干扰信号在带内极化匹配，带外频率保持极化。吞吐量≥参考测量信道最大吞吐量的95%，且有OTA想要信号和OTA干扰信号。

接收机杂散发射是接收机天线阵列辐射的发射功率。它通过测量TRP来表征，在RIB中定义。

接收机互调是两个干扰射频信号的三阶和高阶混合，可在所需信道的频带内产生干扰信号。互调响应抑制是衡量接收机在指定信道频率上接收所需信号的能力，而这一信道频率上存在两个与所需信号有特定频率关系的干扰信号。它被定义为RIB的定向要求。

信道内选择性（ICS）是接收机在指定RB上接收所需信号的能力的一种测量方法，该RB存在功率谱密度较大的干扰信号。在这种情况下，必须满足指定参考测量信道的吞吐量要求。干扰信号与所需信号在时间上是一致的。

结论

讨论了用于5G毫米波基站收发器的OTA测试的基本概念。解释了DFF和IFF CATR测试方法以及进行OTA测试所必需的天线基础知识。

参考资料

1.      A. Sultan, “5G System Overview,” 3GPP, August 2022, Web: https://www.3gpp.org/technologies/5g-system-overview.

2.      “3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, NR Base Station (BS) Conformance Testing Part 2: Radiated Conformance Testing,” 3GPP, Release 15; TS 38.141-2 V.15.6.0, 2020.

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4.      Portable Millimeter Wave CATR for Testing 5G Antenna Systems, NSI-MI Technologies, Web: https://www.nsi-mi.com/applications/wireless.

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7.      Keysight Advanced Design Simulator (ADS), Web: https://www.keysight.com/us/en/products/software/pathwave-design-software/pathwave-advanced-design-system.html.

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11.   J. Fridén, S. Agneessens, A. Razavi, A. Bria and T. Elfström, “5G Over-the-Air Conformance Testing,” 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), March 2020.

12.   C. Liu, J. Fridén, Bo Xu, A. Bria, Y. Cui, Y. Yang, N. Choudhury, B. Horrocks and Q. Zhang, “OTA Test Method in Extreme Temperature for 5G Massive MIMO Devices,” 17th European Conference on Antennas and Propagation, March 2023.