一种用于5G毫米波基站及终端测试的紧缩场系统设计

摘要：本文针对5G毫米波基站和终端的测试需求，提出一种新型多功能紧缩场测试系统，通过对转台进行特殊设计来兼顾毫米波基站和终端的测试。为满足5G毫米波基站和终端的OTA测量，并探索太赫兹测量技术，该系统具有6-200GHz的工作带宽。测试结果表明，设计的毫米波紧缩场静区幅度锥削低于1dB，幅度波纹低于±0.5dB ，相位波纹小于±5°，交叉极化低于-27dB。

关键词：5G毫米波；紧缩场 OTA；太赫兹；静区

一、引言

随着5G移动通信技术和毫米波技术的快速发展，5G毫米波设备的天线、射频和系统性能测试面临着新的挑战。由于高频设备不再具备传统使用电缆测试的射频传导接口[1]，国际标准化组织3GPP在 TS 38.141中明确要求仅采用OTA（空口）方式进行5G毫米波设备的射频测试[2]。远场、近场以及紧缩场等均可以作为5G设备的射频测试场地。毫米波远场距离较大，空间损耗严重，无法达到带外杂散测量等需要的底噪要求[3]。多探头球面近场测量可以在单一场地，通过一次测试便可以获得有源基站的3D方向图测试结果，效率较高[4-5]。但是由于不是直接测量，而是采用近远场变换的方法，相关算法的正确性、各位置的测量准确性，以及参考相位的选取，都将直接影响射频辐射测试结果[6-7]。紧缩场是进行天线参数测试及目标散射特性测试的理想场地。其主要原理是将馈源发出的球面波通过某种方式在近距离内校准为平面波，形成一个适合测试天线各项指标的平面波区域。由于紧缩场极大缩短了测试距离，从而减小了空间损耗，满足杂散测试对底噪的基本要求，因此更适应于毫米波的测量[8]。

目前移动通信领域对于5G毫米波带外指标只能测到90GHz，还无法达到更高频段比如太赫兹波段的测量。另一方面，在进行毫米波基站和终端的紧缩场测试时各采用一个紧缩场或者更换转台分别进行测量的方案，成本较高。本文设计了一种多功能毫米波紧缩场，在同一紧缩场内实现毫米波基站和终端的OTA测试，测试频率可达到太赫兹波段，极大地减小了场地面积，降低了设计成本，提高了测试效率。

二、紧缩场工作原理

反射面紧缩场有很多类型，主要应用的是反射式紧缩场如单抛物反射面紧缩场、双柱面紧缩场、前馈卡塞格伦紧缩场等。单旋转抛物反射面紧缩场由于其高精度，低成本的优点，在移动通信领域被广泛应用[9]。

对于单旋转抛物面紧缩场，由几何光学知识可知，射线由焦点F经过抛物面反射后，在抛物面口面的光程相等，并且产生与抛物面对称轴平行的平面波，这个平面波区域我们称之为静区。通过优化焦直比（F/D）可以减小旋轉抛物面的有限焦距长对静区的影响，从而获得最佳的静区场幅度锥削[9-10]。实际上采用口径场卷积积分法定量计算紧缩场的静区特性。其计算思想是先通过几何光学法计算反射面口径面上的场分布，可以把这个口径面当成一个等效源，然后计算等效源在口径面上的积分从而得到反射面的散射场，最后得到静区的场分布。为了避免经由抛物面反射回的电磁波和焦点处的馈源之间耦合及遮挡影响，紧缩场的反射面采用偏置方案，即反射面相对于焦点的位置有一定的抬升高度A2，如图 1所示。为了降低边缘绕射，采用卷边处理，其反射面边缘外形为抛物面与椭圆线渐变融合曲线，通过将衍射波束引导至反射面其他方向从而减小边缘绕射波进入平面波环境中，提高静区的质量，如图 2所示。经过绕射处理后的反射面口面利用率可达到50%～60%。

三、紧缩场系统设计

（一）反射面系统设计

反射面系统由反射面、调节板、反射面背架组成。反射面采用高精度数控CNC加工中心加工，刀具采用硬质合金材质，具有高硬度、高耐温性，高耐磨性的特点，保证加工过程中不因刀具磨损和变形影响反射面表面质量，其精度可以达到（均方根误差）以下。而根据紧缩场反射面精度的要求，由最高频率200GHz计算，可得到，满足系统对6-200GHz带宽内的精度要求。反射面背架设有微调机构对反射面角度进行微调，其结构设计准则以刚度为主，能够克服自重变形和温度变形。

（二）馈源系统设计

5G频段具有多样性，一般分为低频FR1（Sub-6GHz）和高频FR2（24.25GHz-52.6GHz）。为了使用更少的馈源实现毫米波带内测量，采用24-50GHz的宽带馈源；对于带外杂散的测试，采用6-24GHz超宽带馈源和40-60GHz、60-90GHz、90-140GHz、140-220GHz的标准波段馈源结合。与标准频段馈源相比，采用宽带及超宽带的馈源可以在不明显影响静区质量的同时，覆盖较宽的测试频带，减小馈源更换次数，提升天线的测试效率。

标准波段馈源采用双槽波纹喇叭结构，该喇叭由一个TE11模激励的开口圆波导和两个波纹扼流槽组成，槽的数量对馈源的波束宽度和驻波比有明显的影响。馈源的设计满足在反射面实体内均匀照射，而在边缘区域尽可能减小照射，以获得最佳锥削口径分布。馈源相位中心位置不随频率变化，照射角内相位特性的变化相对较小，交叉极化较低，并具有很好的轴对称性，其结构如图 3所示。

超宽带馈源采用脊片外探四脊圆口喇叭结构，其中喇叭内壁和四脊的形状经过详细设计，进一步减小驻波，保证波束宽度的稳定性，从而满足四倍频的带宽需求。四脊曲线的终端外探一定长度，高于喇叭壁曲线终端，可以保证馈源方向图和相位中心的稳定性[11]。加工的超宽带馈源实物图如图 4所示。

（三）转台系统设计

为了在同一个紧缩场内实现毫米波基站和终端的测量，需要对转台进行了特殊设计。转台总体结构如图 5所示。

转台从下而上依次为方位轴、平移导轨、两侧可拆装立柱和极化（横滚）轴。用于毫米波基站测试时，负载安装在连接横滚轴两侧的横梁上，极化台面及横梁上设计有安装螺纹孔，用于负载夹具的安装。用于毫米波终端测试时，将一侧立柱及横梁拆下，横滚轴作为极化轴。通过此设计，可以在不另外新建紧缩场或者更换整个转台的基础上实现毫米波基站和终端的测量，降低了成本，提高了在毫米波基站和终端测量间切换的效率。

四、静区电检测

（一）静区电检测方法

考核静区性能有三项指标，即幅度不平度（包括幅度锥削和幅度波纹）、相位不平度、交叉极化。根据这三项基本指标，确定满足要求的区域和频率范围，即为系统的工作静区尺寸和频带。静区幅相场分布电检测采用探头扫描法，取静区中心十字截线的场分布结果。

在毫米波波段，探头扫描系统的长电缆在运动过程中对信号的幅相抖动有较大影响，因此在进行毫米波静区检测时，对系统稳定性提出了更高的要求。电检测现场如图 6所示，选择标准增益喇叭作为探头，在静区内的某一特定截面的中心十字线上扫描，最终提取典型频点的检测结果。交叉极化依据国际通用紧缩场交叉极化测量方法，即在测量十字线上下和左右4个端点处，将场探头沿轴线旋转，分别取测量的最小与最大振幅之比。

（二）静区电检测结果及分析

静区的幅相特性选择6GHz、40GHz、110GHz和200GHz 共4个典型频点的水平极化测试结果，如图 7～图 10所示。十字线的幅度、相位分布以曲线形式给出，对幅度测试曲线进行二次多项式拟合，其中黑色实线为测量曲线，红色虚线为拟合线。通过比较测试曲线和拟合线的幅度值得到幅度锥削和波纹，通过比较测试线上的相位最大值和最小值得到相位波纹。

静区的交叉极化特性测试在选定截面的十字线端点处测试。探头以一定的步进角由主极化状态转至交叉极化状态，幅相测量系统在转动的过程中测量。选择中心十字线左、右、上、下共四个端点作为典型位置，其HV测试结果如图 11所示。

静区水平极化幅相特性及交叉极化特性测试结果进行统计，结果如表 1和表 2所示。由于高频信号衰减较大，其交叉极化信号较低，系统达不到精确测量所需要的动态范围，因此无法进行更高频段的交叉极化测试。表中仅给出6～80GHz的交叉极化测试结果。

由测试结果可知，在±250mm静区内，其中心水平截线幅度锥削小于1dB，幅度波纹小于±0.5dB ；相位波纹小于±5°，交叉极化低于-27dB。结果表明，所设计的紧缩场在6～200GHz范围内，静区满足平面波环境的要求，可以进行毫米波基站及终端的测试。

五、结束语

本文设计了一种新型多功能紧缩场测试系统，可以兼顾5G毫米波基站和终端的OTA测试。静区幅相检测结果验证了设计的合理性。该紧缩场的成功应用，将毫米波紧缩场测试频率提高到200GHz，并極大降低了毫米波测试场地的成本，提高了毫米波的测试效率，推动了5G毫米波基站和终端研发的快速发展。

作者单位：张帆    中国移动通信有限公司研究院

参  考  文  献

[1] 张瑞艳，邵哲，曹景阳. 大规模阵列天线基站的OTA测试方法研究[J]. 移动通信， 2017，41（5）： 91-96.

[2] 3GPP TS 38.104 V15.4.0 （2019-09） 3rd Generation Partnership Project Technical Specification Group Radio Access Network NR Base Station （BS） radio transmission and reception （Release 16）.

[3] 宫剑，任宇鑫，熊林.5G基站OTA测试场分析[J].数字通信世界，2019（04）：10-12.

[4] Yaghjian， A. An overview of near-field antenna measurements[J]. IEEE Trans on Antennas Propag， 1986， 34（1）：30-45.

[5] James J R. Spherical Near-field Antenna Measurements [J] .Antennas&Propagation IEEE Transactions on . 1988.

[6] Kong H ， Wen Z ， Jing Y ， et al. Midfield Over-the-Air Test： A New OTA RF Performance Test Method for 5G Massive MIMO Devices[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2019， PP（99）：1-5.

[7]李勇，徐黎，李文.5G基站天线OTA测试方法研究[J].移动通信，2018，42（06）：7-10.

[8] Johnson R C ， Ecker H A ， Moore R A . Compact Range Techniques and Measurements[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1969， 17（5）：568-576.

[9]全绍辉，何国瑜，徐永斌，等.一个高性能单反射面紧缩场[J].北京航空航天大学学报，2003（09）：767-769.

[10] 何国瑜，卢才成，洪家才，等.电磁散射的计算和测量[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[11] 北京中测国宇科技有限公司. 一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线：CN202010360484.6[P]. 2020-08-18.