5G基站OTA测试场分析

宫 剑，任宇鑫，熊 林

（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191；3.清华大学电子工程系，北京 100084）

1 引言

5G标准中定义的1-H，1-O和2-O的站型，均规定了相应的OTA（over the air）射频测试项[1]。尤其是1-O和2-O的站型，没有了传统的传导测试的天线接口，所有的射频测试项都需要在OTA环境下进行测试[2]，测试项包含有发射功率，调制质量，占用带宽，邻道泄漏功率比，杂散，互调，灵敏度，阻塞，等等。

所以用于OTA测试的全电波暗室例如：远场，紧缩场，中场，带有平面波产生器的小场等等成为必要的环境选择。3GPP标准中[3]建议了远场，紧缩场，一维紧缩场，近场四种选择，并给出不同场的MU（Measurement Uncertainty）和相关测试项的校准和测试方法建议。对于一维紧缩场，目前已有机构根据类似的原理研发了平面波产生器[4]，也进行了大量的系统测试和验证工作。但在实际的测试中，不同的场对不同测试项的支持情况究竟是怎样的呢？本文通过实际测试情况对比总结了各种场地的特点。

2 远场

根据远场距离公式2D2/λ，D为被测件天线最大口径，λ为被测频率波长，所以被测件与测量天线之间的远场距离取决于这两个因素，假设D=1米，频率=2.6GHz，远场距离应大于17.33米，即被测物天线相位中心距离测量天线之间的距离至少为17.33米，当被测物天线口径尺寸增大为2米时，远场距离就增加为69米，所以厂家需要建造大于70米长的远场场地。

这么大的测试距离下，路径损耗就成为了关键的问题。根据自由空间传播损耗公式：

Loss（dB）=32.45+20lgF（GHz）+20lgD（m），F

为频率，D为测试距离，假设F=2.6GHz，D=18米，

Loss=65.94dB。如果F=26GHz，Loss会增加至85.9dB，再加上系统中射频电缆等插损，Loss值将增大至70-90dB。

根据5G sub6G信号的特点[5]，EIRP单载波波束成型后的最大功率值，从+33dBm/100MHz到77dBm/100MHz，并且没有上限。对于EIRP，EVM，ACLR最大功率点，OBW，EIS等带内有用信号的测试项，只要保证在通过路径衰减之后，仍然满足频谱仪和信号源的动态范围和指标要求，那么测试都可以正常进行。例如：假设基站发射功率为75dBm/100MHz，再假设经过80dB的路径损耗之后，为-5dBm，假设对波束最大方向ACLR邻道的要求是-55dBc，对应邻道功率为-60dBm/100MHz，对于DANL=-160dBm/Hz的频谱仪来说，可以测量-80dBm/100MHz以上的信号，精确测量需要高于底噪10～20dB，所以可以满足-60dBm/100MHz的邻道信号测量，同时带内其他指标例如EVM，OBW，Frequency error等的测试需求也可以满足。对于接收机测试指标EIS的测试需求，信号源是可以满足的，80dB的路损相对于基站所需要达到的灵敏度而言，仍然不足为道。但是对于阻塞测试来说，干扰信号的大功率要求，使得对于远场测试的功放推送功率要求更高（除共址阻塞）。

但对于底噪要求较高的杂散测试，例如共存杂散的TRP要求可达-40.4dBm/MHz@2100-2170MHz，如表2所示，这就要求球面上的单点的测量结果至少有小于等于-40.4dBm/MHz的值出现，使用陷波器滤除主信号之后，频谱仪需补偿大于80dB的路损，底噪抬升到-80dBm/Hz，即-20dBm/MHz，所以不额外增加低噪放的情况下无法正常测试共存杂散的指标。而增加了低噪放又引入了额外的杂散信号。同样，通用杂散的测试要求也无法满足，见表1所示。

虽然有很大的路径损耗，但远场的优势也是显而易见的，首先频率方面，由于大空间的优势和简单的测试结构，低频可以比其他场更容易做到很低，例如300MHz，高频也可以高到几十个GHz。而且也是天线方向图测试，小区覆盖，多波束测试和温度测试的理想场所。图1是3GPP给出的极限环境高低温测试的建议，可以看出既需要足够大的空间去放置温箱，温度的变化又不能影响场地性能，远场是非常理想的测试环境。遗憾的是，昂贵的占地成本和建设成本使大多数厂家都望尘莫及。

表1 3GPP对1-O站型通用杂散指标[2]

表2 3GPP对1-O站型共存杂散指标[2]（节选）

图1 温度测试示意图

3 紧缩场

紧缩场是目前为止最好的等效远场，既符合远场测试条件，又大大减小了测试空间。紧缩场增加了馈源和反射面系统，使得球面波在较短的距离内就可以转化成平面波，所以路径损耗可以更小，以20米*10米*10米的紧缩场为例，反射面5米*5米，静区尺寸为3米长的2米直径圆柱，频率范围1GHz-40GHz。杂散测试中实际补偿到频谱仪的路径损耗可以降至56dB，所以同样的频谱仪，底噪可以达到-44dBm/MHz，通用杂散测试基本没有问题了，共存杂散由于指标接近底噪限值，所以仍然可能需要额外的低噪放来增加系统动态。

类似远场，对于带内有用信号的测试项，都可以满足，与远场方向图的比对也是最接近的。但是极限环境的温度测试并不一定适合，原因是紧缩场反射面和馈源系统对环境温度和震动等要求极高。频率方面，低频受到反射面大小的限制，无法做到太低，一般为GHz以上，高频受到反射面平整度的限制，也无法做到过高。所以30MHz-1GHz的杂散频率范围在紧缩场中无法覆盖。

紧缩场无疑是最接近远场性能的等效远场，但反射面和馈源以及对占地空间的要求，仍然需要不小的经济投入和严苛的工程建设要求。

图2 清华电子工程系紧缩场

4 中场

中场的测试距离介于远场和近场之间，是OTA测试中最简易的测试方法，由于测试距离很小，可以在3米以下，路径损耗可以继续优化至46dB以内，虽不满足远场条件，但对于杂散TRP的测试而言，近场和远场的测试都是有效的。根据TRP的定义，PD（r，θ，φ）为距离r下两个正交极化的功率谱密度[6]。

频率范围取决于吸波性能和测量天线，可低可高，但由于空间受限，反射的问题会对某些测试精度产生影响。其它带内测试的准确性也有待进一步验证。

5 平面波产生器

平面波产生器是目前较为创新的一种方法，原理类似紧缩场将球面波通过变换在较近的距离内形成平面波。不同的是，用天线阵面加调相网络的方法取代了馈源和反射面，进一步降低了暗室的尺寸和造价。类似中场近场，小型OTA暗室即可满足。对带内信号的测试指标也可以较好的满足。但受限于调相网络的动态范围，路径损耗与远场相类似，在60～80dB之间。

频率范围和带宽也受限于调相网络，一般只支持6GHz以下的带内频段。为了满足更多的指标测试，目前这种方案还在不断完善和改进中。

6 结束语

下表是针对目前5G基站OTA测试项推荐的场，我们可以对5G的测试环境的复杂性窥见一斑。实际上本文中介绍的这四种场地也仍无法覆盖所有的5G测试项，对于更低频率（低至30MHz）的杂散测试，仍需考虑EMC暗室，等等。在各界同仁的努力下，不同场地所能支持的测试项也在不断的演进和变化中。对于厂家，也在考虑建设多合一的测试场地以适应各种测试需求，包括5G终端测试需求[7]等。

表3 OTA测试项场地支持情况