5G/6G毫米波測試技術(shù)白皮書目 錄目 錄..................................................................................................................................................................................

01. 背景............................................................................................................................................................................

21.1

5G

毫米波測試現(xiàn)狀與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展.............................................................................................................................

42. 5G/6G

毫米波測試系統(tǒng)............................................................................................................................................62.1

微波毫米波暗室測試環(huán)境.......................................................................................................................................62.1.1

遠(yuǎn)場暗室..........................................................................................................................................................

72.1.2

近場暗室..........................................................................................................................................................

82.1.3

緊縮場暗室....................................................................................................................................................

102.2

5G

毫米波測試儀器...............................................................................................................................................

103. 5G毫米波設(shè)備的特點............................................................................................................................................

123.1

毫米波基站設(shè)備的特點........................................................................................................................................

123.2

毫米波終端設(shè)備的特點........................................................................................................................................

144. OTA

射頻測試.........................................................................................................................................................

154.1

測試內(nèi)容.................................................................................................................................................................

154.2

測試方法.................................................................................................................................................................

174.2.1

直接遠(yuǎn)場法（Direct

Far

Field,

DFF）...........................................................................................................

174.2.2

間接遠(yuǎn)場法（Indirect

Far

Field,

IDFF)..........................................................................................................

184.2.3

近場（Near

Field,NF）..................................................................................................................................

215. OTA系統(tǒng)性能測試.................................................................................................................................................

235.1

測試內(nèi)容.................................................................................................................................................................

235.2

測試方法.................................................................................................................................................................

235.2.1

混響室法.........................................................................................................................................................

235.2.2

輻射兩步法.....................................................................................................................................................

235.2.3

多探頭法.........................................................................................................................................................

255.3

3GPP

UE

無線資源管理測試方法.........................................................................................................................

305.4

3GPP

UE

解調(diào)測試方法.........................................................................................................................................326. 6G

測試技術(shù)展望....................................................................................................................................................

336.1

6G

信道測量...........................................................................................................................................................

336.1.1

6G

信道特點...................................................................................................................................................

336.1.2

信道測量系統(tǒng).................................................................................................................................................

356.1.3

信道測量方法.................................................................................................................................................

376.1.4

毫米波信道測量研究進(jìn)展.............................................................................................................................

406.2

太赫茲測試.............................................................................................................................................................

436.3

超大規(guī)模

MIMO

與全數(shù)字多波束........................................................................................................................

466.4

毫米波衛(wèi)星通信測試簡述....................................................................................................................................

486.4.1

衛(wèi)星通信.........................................................................................................................................................

486.4.2

衛(wèi)星通信系統(tǒng)測試.........................................................................................................................................

507. 總結(jié)..........................................................................................................................................................................

52參考文獻(xiàn)............................................................................................................................................................................52縮略語................................................................................................................................................................................56致謝....................................................................................................................................................................................585G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書21.

背景毫米波技術(shù)已在

5G

通信系統(tǒng)中應(yīng)用，例如毫米波基站采用

MassiveMIMO技術(shù)來獲得高增益，以補(bǔ)償高頻引起的信號衰減；毫米波終端采用具有波束合成功能的毫米波模組，實現(xiàn)空間角度上的覆蓋。隨著

5G

的大規(guī)模商業(yè)化，全球移動通信業(yè)界已開始籌劃

6G

移動通信關(guān)鍵技術(shù)的研究。其中，太赫茲技術(shù)、超大規(guī)模天線陣列、空天地一體化的衛(wèi)星通信、全頻譜通信、人工智能等技術(shù)都有可能成為實現(xiàn)

6G

通信的關(guān)鍵技術(shù)。毫米波因其豐富的頻譜資源，必將在

6G

通信中繼續(xù)扮演重要角色。伴隨著通信頻率的升高，測試技術(shù)較以前也發(fā)生了翻天覆地的變化。通常測量

2G、3G、4G

系統(tǒng)，射頻與天線有各自獨立的指標(biāo)體系和測量方法，可以分開測試、獨立評估。射頻指標(biāo)一般采用傳導(dǎo)測試方法，通過線纜將被測射頻組件的端口與儀器直接相連，測量精度主要取決于儀器的性能；測量天線時，將天線的射頻端口與儀器（例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）相連，進(jìn)行駐波測量和暗室環(huán)境下的天線方向圖的測量。在毫米波頻段，天線單元與射頻單元之間的毫米波信號傳輸易受傳輸線長度、轉(zhuǎn)接匹配等因素的影響，為了性能考慮，毫米波設(shè)備的射頻與天線將一體化設(shè)計制造，這就導(dǎo)致了天線和射頻之間沒有可以剝離的測試端口，連基本的線纜連接都無法實現(xiàn)，天線和射頻單元無法分開測試。這對測試原理與方法的提出了極大的挑戰(zhàn)。對此業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識，空口（Over-The-Air，OTA）測試將成為

5G

毫米波系統(tǒng)的主要測試形態(tài)，而測試對象將是一體化的毫米波多波束陣，而不是獨立的射頻和天線組件。在此條件下，需要建立新的測試指標(biāo)體系和評估方法。同時可以預(yù)見，OTA

測試技術(shù)也將會是

6G

通信設(shè)備的主要測試手段。在毫米波測試進(jìn)展方面，經(jīng)過國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)組、運(yùn)營商、設(shè)備商與高校近幾年的努力，毫米波設(shè)備的相關(guān)測試方法已逐漸明晰，相關(guān)測試指標(biāo)也已逐步達(dá)成共識。2020

年

7月定稿的

3GPP

R16

在

R15

的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了毫米波基站、終端的測試方法和相關(guān)指標(biāo)，對于終端多天線性能的測試也形成了技術(shù)報告，為毫米波設(shè)備的測試認(rèn)證提供了參考依據(jù)。雖然毫米波設(shè)備的測試框架已逐漸明朗，但是仍有不少技術(shù)指標(biāo)與測試方法還在研究討論中，尚未形成最終的技術(shù)規(guī)范，

3GPP

R17

正對毫米波測試技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的討論。相較于

FR1頻段設(shè)備的測試，毫米波頻段設(shè)備的測試由于其測試的復(fù)雜性，整體上仍然推進(jìn)較為緩慢。移動通信產(chǎn)業(yè)鏈基站、芯片、終端的研發(fā)、生產(chǎn)、驗收等各環(huán)節(jié)都離不開測試儀器與測試技術(shù)的支撐。測試技術(shù)的特點是交叉性強(qiáng)，跨學(xué)科、高性能、應(yīng)用廣。測試技術(shù)伴隨著每一代移動通信技術(shù)的演進(jìn)，從

2G、3G

到

4G，系統(tǒng)的工作頻段均在

6GHz

以下、信號帶寬在百兆以內(nèi)，測試儀器的核心技術(shù)指標(biāo)沒有發(fā)生巨大的變化，測試技術(shù)和測試儀器并沒有受到太大挑戰(zhàn)，甚至同一硬件平臺進(jìn)行軟件升級就可以應(yīng)對滿足新一代的測試需求。但是在

5G時代，由于帶寬、通道數(shù)、頻段都有了數(shù)量級的飛躍，測試技術(shù)的后向兼容性被打破了，測試原理需要重新被探索，測試儀器性能需要極大地提升。5G毫米波給測試技術(shù)帶來的巨大挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下方面：在系統(tǒng)通道校準(zhǔn)方面，針對高達(dá)

256

通道以上的大規(guī)模天線和射頻組件，如何進(jìn)行合理有效的校準(zhǔn)是影響測試效果的前提，如何進(jìn)行快速高效測試也是影響測試成本和效率的關(guān)鍵問題。在高頻段的射頻指標(biāo)測試方面，5G

毫米波天線與收發(fā)信機(jī)（Tx/Rx）甚至數(shù)模/模數(shù)（DAC/ADC）轉(zhuǎn)換電路將一體化設(shè)計與加工，無法單獨對射頻前端進(jìn)行測量。并且，射頻電路的帶寬、噪聲系數(shù)、靈敏度等諸多性能指標(biāo)與天線的特性相互影響，難以單獨評估。OTA測試是主要的測試手段。但是，OTA

測試也面臨著挑戰(zhàn)。一方面，毫米波頻率高，空間傳輸損耗大，致使儀器接收到的待測信號功率較小，影響測試的精度。尤其是針對設(shè)備帶外雜散等指標(biāo)測試時，往往較難準(zhǔn)確捕捉到待測頻率的信號。另一方面，大規(guī)模多波束天線陣在方向圖上，既非全向輻射也不是一個簡單的定向波束，因此傳統(tǒng)天線的增益、波束寬度等性能指標(biāo)已無法準(zhǔn)確描述其行為特征。同時，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中定義的部分系統(tǒng)指標(biāo)，如最大輻射功率等，在多波束條件下也需要重新定義。在測試方法選擇方面，針對射頻指標(biāo)測試的遠(yuǎn)場、近遠(yuǎn)場變換、緊縮場的方法各有利弊，針對多天線性能測試的混響室法、兩步法、多探頭法在毫米波頻段仍然存在巨大挑戰(zhàn)，甚至有的測試方法不適用毫米波設(shè)備的測試。在測試平臺的實現(xiàn)方面，大規(guī)模多通道和大帶寬帶來極大的數(shù)據(jù)流量，測試平臺的數(shù)據(jù)處理能力面臨很大壓力，需要在硬件和算法架構(gòu)有新的突破?？傊?，相比傳統(tǒng)的天線與射頻測試，5G

毫米波面臨測試指標(biāo)體系、測試原理與方法、測試平臺的重大變革。當(dāng)前迫切需要研究此類基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的科學(xué)問題，針對一體化毫米波天線陣的行為特征，修正或構(gòu)建新的參數(shù)定義與測試指標(biāo)體系，探索科學(xué)的測試原理，研制高效的測試平臺。5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書5G

毫米波測試現(xiàn)狀與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展毫米波信道測量信道測量能夠幫助我們提取真實的信道參數(shù)，為后續(xù)的

5G

信道建模和標(biāo)準(zhǔn)化提供重要的參考。信道測量是一種自定義收發(fā)的無線測量，測量對象不是通信設(shè)備，而是通信設(shè)備工作的無線環(huán)境。從

4G

到

5G

的信道測量不同之處主要體現(xiàn)在帶寬、頻段等方面，對測量儀器有較高的要求。傳統(tǒng)的移動通信頻段都是在

6GHz

以下，在這個頻段積累了大量的信道模型研究結(jié)果。但是對于毫米波頻段的信道傳播特性研究相對較少，因此對毫米波頻段的信道進(jìn)行評估和探測是

5G

技術(shù)研究的關(guān)鍵，尤其是在大帶寬情況下，對信道測量的方法提出了更新的要求。信道測量分頻域法和時域法兩種，其中頻域方法的優(yōu)點是使用毫米波網(wǎng)絡(luò)分析儀單表就可以測量各種頻段完整的信道響應(yīng)特性，不受信道帶寬的限制。但是也存在著只能測試時不變多徑信道，以及外場測試受限于收發(fā)同臺儀表等缺點；時域信道測量是信道沖擊響應(yīng)直接測量的方法，通常使用偽隨機(jī)序列作為信道探測的信號，在接收端用已知的序列做相關(guān)，得到信道沖擊響應(yīng)。這種測量方法需要系統(tǒng)硬件能夠產(chǎn)生和分析超寬帶的探測信號，業(yè)界已具備單表

2GHz

帶寬的信號產(chǎn)生和

8GHz

帶寬的信號分析能力，可以讓提取的信道多徑時延有著較佳的時延分辨率。美國是德科技（Keysight

Technologies），德國

R&S

公司等均提出了覆蓋毫米波頻段，超大帶寬的信道測量方案。國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)在信道測量方面開展了大量工作，為

5G

標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了依據(jù)。3GPP

在

TR

38.901

中給出了

0.5~100GHz

的典型信道模型，為毫米波系統(tǒng)設(shè)計和性能測試提供了參考依據(jù)。毫米波

MIMO

信道模擬MIMO

信道模擬器使得研發(fā)人員能夠在實驗室內(nèi)模擬各種典型的無線信道環(huán)境，靈活地控制和改變信道參數(shù)，盡早定位性能問題，大大降低了測試成本，顯著提高了測試效率。目前，是德科技和思博倫公司的信道模擬器，可支持

Massive

MIMO

和百兆帶寬的測試需求，但工作頻率不超過

6GHz，不能直接滿足

5G

毫米波的測試需求，需要加入額外的毫米波擴(kuò)展件。在國家科技重大專項（03

專項）支持下，國內(nèi)創(chuàng)遠(yuǎn)儀器聯(lián)合東南大學(xué)、信通院等單位，研制了支持

FR1

和

FR2頻段的

5G

大規(guī)模

MIMO

信道模擬器。5G毫米波設(shè)備的射頻指標(biāo)測試4射頻指標(biāo)測試對象包括基站設(shè)備、終端設(shè)備以及芯片、相關(guān)模塊。其主要針對的是設(shè)備諸如輻射功率、調(diào)制信號質(zhì)量等相關(guān)指標(biāo)的測試。隨著

5G

商用進(jìn)程的加快，針對

FR1

頻段的射頻性能測試，各推進(jìn)組織、運(yùn)營商已組織相關(guān)各方進(jìn)行了充分的討論，已趨于共識。3GPPTS

38.101-1,

TS

38.521-1

分別給出了

FR1

頻段的終端射頻指標(biāo)定義與相關(guān)指標(biāo)一致性測試的標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言，針對

5G

毫米波頻段的測試方法研究仍在火熱進(jìn)行中，經(jīng)過行業(yè)內(nèi)相關(guān)高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等的研究與推動，在各自的方向上取得了一定進(jìn)展，相關(guān)測試指標(biāo)與方法也逐漸清晰。3GPPTS38.101-2，TS38.521-2

分別給出了

FR2

頻段終端射頻指標(biāo)定義與相關(guān)射頻指標(biāo)一致性測試的標(biāo)準(zhǔn)；TS

38.141-2

列出了毫米波基站射頻輻射指標(biāo)一致性測試的規(guī)范和步驟；TR

38.810

研究了如何利用

OTA

的方法對

FR2

頻段終端進(jìn)行射頻指標(biāo)測試。在國內(nèi)，工信部、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會、信通院、運(yùn)營商等也正在推進(jìn)

5G

毫米波技術(shù)及測量方法的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。5G毫米波設(shè)備的多天線性能測試5G

毫米波終端仍將采用多天線技術(shù)。多天線性能的測試反映了設(shè)備系統(tǒng)性能在不同信道環(huán)境下的表現(xiàn)。相較于射頻測試，多天線性能測試對儀器和場地的需求更加復(fù)雜，測試的評判標(biāo)準(zhǔn)和方法較難形成統(tǒng)一，因此其標(biāo)準(zhǔn)化工作相對較為滯后。在

3GPP

的

R16

版本中創(chuàng)建了相關(guān)的研究報告——TR

38.827，其毫米波頻段的部分指標(biāo)限值仍在

R17

版本中研究。不過可以看出，采用多探頭方法進(jìn)行毫米波頻段設(shè)備多天線性能測試可能將成為主流路線。同時，原來終端和基站設(shè)備采用的上下行性能獨立測試將逐漸演變到基站—終端共同測試，即所謂的“端到端”測試。3GPP測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展對于基站設(shè)備，

3GPP

早在

Rel-11

就針對使用傳導(dǎo)的方法測試有源天線陣列（AAS）的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析，并決定針對

AAS的

OTA

測試方法進(jìn)行研究。經(jīng)過多年的探索，工業(yè)界對于使用

OTA

方法測試

AAS

指標(biāo)的挑戰(zhàn)有了深入的認(rèn)識，針對毫米波基站

OTA

測試方法，3GPP

完成了

Rel-15和

Rel-16標(biāo)準(zhǔn)制定工作，當(dāng)前正針對測試方法開展進(jìn)一步的增強(qiáng)研究。對于終端設(shè)備，3GPP

首先在

Rel-15

完成了毫米波終端測試方法的研究，該研究針對毫米波終端的射頻、無線資源管理、以及解調(diào)的測試驗證提出了解決方案，測量的方法包括了直接遠(yuǎn)場、緊縮場、近場轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)場等。為了評估毫米波

MIMO性能，3GPP

在

Rel-16對毫米波

MIMO

OTA測試方法開展了研究工作，針對靜態(tài)測試環(huán)境，完成了場景定義、信道建模、測試方法的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書6隨后，3GPP

在

Rel-17

針對毫米測試中的無法支持較高下行或較低上行信號功率的測試?yán)?，以及測試時間過長、測試儀表與被測終端極化方向不匹配、無法支持如

FR2+FR2

Inter-band載波聚合測試、無法支持極端測試條件測試等問題，對測試方法進(jìn)行了進(jìn)一步增強(qiáng)。目前，3GPP

正在討論Rel-18毫米波測試相關(guān)的立項，候選項目包括了動態(tài)

OTA

測試方法，下行

4

流測試方法，以及針對固定無線接入（FWA）設(shè)備的測試方法等。其中，毫米波動態(tài)

OTA

測試是研究動態(tài)環(huán)境下毫米波終端性能測試方法。由于目前的毫米波測試方法都是基于靜態(tài)的測試環(huán)境，即終端在測試過程中位置固定、測試開始前會預(yù)留足夠的波束調(diào)整等待時間，因此無法有效驗證毫米波終端的波束管理性能。而動態(tài)

OTA

測試方法可以在信號來波方向、信道條件等快速變化環(huán)境中評估毫米波終端波束管理性能，為毫米波的商用部署提供有效驗證手段。5G/6G

毫米波測試系統(tǒng)5G/6G

毫米波測試基于

OTA

的測試形態(tài)，測試系統(tǒng)主要包括微波毫米波暗室、測試儀器、相關(guān)配件以及主控單元。微波毫米波暗室測試環(huán)境微波毫米波暗室是一個空間結(jié)構(gòu)，它可以是一個建筑空間，也可以是一個箱體。如圖

1所示，暗室的內(nèi)部表面布滿吸波材料，可以有效吸收被測頻段的電磁波。暗室內(nèi)部通常包含轉(zhuǎn)臺、天線探頭等。圖

1

微波毫米波暗室天線的輻射根據(jù)輻射區(qū)遠(yuǎn)近可以分為感應(yīng)場區(qū)(菲涅爾區(qū))、近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)(夫瑯禾費區(qū))，如圖

2所示。圖

2天線輻射場區(qū)分布2.1.1 遠(yuǎn)場暗室在輻射遠(yuǎn)場區(qū)，天線方向圖隨距離的變化較小，場強(qiáng)較為穩(wěn)定，所以在一般的天線方向圖測量中，都采用遠(yuǎn)場和暗室結(jié)合的方法。美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會（CTIA）規(guī)范提到了三種天線遠(yuǎn)場的公式定義[1]，分別為：①

相位不確定度限值

2D2/λ；②

幅度不確定度限值

3D；③

反應(yīng)近場限值

3λ。以上定義中，D代表天線口徑面，λ表示被測天線頻率對應(yīng)波長。5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書8在遠(yuǎn)場暗室測量中，發(fā)射喇叭與待測件置于滿足遠(yuǎn)場條件的金屬屏蔽體房間內(nèi)，墻壁四周布滿吸波材料。當(dāng)電磁波入射到墻面、天棚、地面時，絕大部分電磁波被吸收，透射和反射極少。這樣就提供了一種人為的空曠的“自由空間”條件，在暗室內(nèi)制造出一個純凈的電磁環(huán)境，以方便排除外界電磁干擾。在暗室內(nèi)做雷達(dá)、天線等無線通信設(shè)備產(chǎn)品測試可以免受外界的電磁環(huán)境干擾，提高測試設(shè)備的測試精度和效率。遠(yuǎn)場測試作為一種準(zhǔn)確評估輻射體性能的測試方法，已廣泛應(yīng)用于天線方向圖的測試、大型散射體雷達(dá)散射截面（RadarCross-Section，RCS）測試、基站性能測試等無線產(chǎn)品輻射性能測試中，如圖

3所示。遠(yuǎn)場暗室能較準(zhǔn)確地測量設(shè)備的輻射特性，但是也存在場地需求較大、造價昂貴、路徑損耗大等缺點。圖

3遠(yuǎn)場暗室示意圖2.1.2 近場暗室隨著待測天線口徑的增大，遠(yuǎn)場測試距離增加，對暗室要求相應(yīng)提高，近場測量可以克服場地建設(shè)的限制，較準(zhǔn)確地得到天線的輻射信息。近場測量的原理為：用一個已知特性的探頭，在天線輻射近場區(qū)域內(nèi)采集天線近場的幅度和相位信息，再利用近場—遠(yuǎn)場變換理論，計算得到天線的遠(yuǎn)區(qū)場特性。相較于遠(yuǎn)場測試，近場測試不受遠(yuǎn)場測試中的距離效應(yīng)和外界環(huán)境的影響，具有測試精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列優(yōu)點，而且通過合適的軟件及成熟的校準(zhǔn)理論，有效的補(bǔ)償各種測量誤差，其測量精度甚至可能優(yōu)于遠(yuǎn)場測量，也是當(dāng)前高性能天線測量的主要方法之一。圖

4

為近場暗室，近場測試一般需要精確測量包圍被測設(shè)備三維表面上的相位和幅度，然后通過近場-遠(yuǎn)場數(shù)學(xué)變換，從而得到天線遠(yuǎn)場方向圖。此方法常常被用來測量口徑較大的天線設(shè)備，例如雷達(dá)、大規(guī)模

MIMO

基站等。近場測試的主要手段為近場掃描法，根據(jù)掃描方式的不同分為平面近場掃描法（PNF），柱面近場掃描法（CNF），和球面近場掃描法（SNF）。其原理均是利用一個特性已知的探頭，在離開待測天線幾個波長(近場區(qū))的某一表面進(jìn)行掃描，測量天線在該表面各離散點上輻射場的幅度和相位分布，然后基于嚴(yán)格的模式展開理論，確定天線的近場特性。最后，經(jīng)近場—遠(yuǎn)場變換理論，由計算機(jī)編程進(jìn)行變換以及誤差校準(zhǔn)處理，近似得到待測天線遠(yuǎn)場特性。雖然近場掃描法比遠(yuǎn)場測試法在場地建設(shè)上有優(yōu)勢，但是近場測試也存在著一些問題。首先，近場—遠(yuǎn)場變換理論要求同時已知近場幅度和相位信息，而近場掃描技術(shù)中相位信息測量難度較大，對機(jī)械系統(tǒng)、測量間距、取樣點數(shù)、濾波等需要計算機(jī)仿真優(yōu)化，以盡可能的減小測量誤差。其次，近場—遠(yuǎn)場變換理論現(xiàn)在還主要在單音信號變換中較成熟，對于調(diào)制信號如何測量還有待研究。最后，對于大型被測系統(tǒng)，近場測量可能無法施行。圖

4

近場暗室5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書圖

5

緊縮場暗室示意圖2.2

5G

毫米波測試儀器3GPP5GNR

毫米波頻段（FR2）包括

24.25GHz~52.6GHz，工作帶寬

400MHz，三載波聚合帶寬將達(dá)到

3×400

MHz=1200

MHz。5G

毫米波測試儀器的工作頻率及測量帶寬必須滿足以上要求。移動通信常用的測量儀器包括矢量信號源、矢量信號分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、終端綜測儀（完善）、基站綜測儀、終端模擬器、信道模擬器（完善）等。（1）

信號源與信號分析儀在

5G

毫米波設(shè)備的研發(fā)測試、射頻一致性測試等各個環(huán)節(jié)，信號源和信號分析儀都是必不可少的基礎(chǔ)測量儀器。對其最高頻率要求不低于

52.6

GHz，帶寬不低于

1.2

GHz。目前業(yè)102.1.3 緊縮場暗室在大型散射體和大口徑天線測試中，由于遠(yuǎn)場暗室場地需求較高，所以希望找到一種占地面積小、測量距離短的方法。緊縮場測量法就是針對這種需求產(chǎn)生的輻射體測量方法。其原理是采用一個精密的反射面，將喇叭天線產(chǎn)生的球面波在短距離內(nèi)變換為平面波，從而滿足測試要求，如圖

5

所示。這種間接測試方法基于光學(xué)變換原理并且是互易的，也就是說設(shè)備的收發(fā)測試均可以通過這種方式進(jìn)行。反射面的設(shè)計是緊縮場測量方法的關(guān)鍵，同時要采取合適的手段將邊角的繞射效應(yīng)降到最低。相較于遠(yuǎn)場測試，緊縮場測試大大縮短了遠(yuǎn)場測試距離，為大型散射體的測試帶來了便利。采用緊縮場測試還可以減小路徑損耗，從而相較于直接遠(yuǎn)場法獲得更大的動態(tài)范圍。但精密反射面的造價十分昂貴，對加工和建設(shè)相對要求高。界信號源和分析儀單表最大能力已支持

2

GHz

帶寬的信號產(chǎn)生和分析，同時頻譜儀單機(jī)頻率更可達(dá)

90

GHz，滿足

3GPP

TS

38.141

規(guī)范中雜散測量最高頻率覆蓋載頻二次諧波頻率的測試要求。另外，對于研發(fā)工程師來說，短時偶發(fā)雜散的問題定位總是尤為麻煩，隨著毫米波大帶寬引入移動通信，迫切需要能與之帶寬相匹配的實時頻譜分析儀。目前業(yè)界最大實時能力已達(dá)

800

MHz，截獲概率

0.46us，很大程度上提升工程師在處理該類問題上的定位效率。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一個連續(xù)波掃描信號的自發(fā)自收測試系統(tǒng)，具有自校準(zhǔn)功能，測量精度高。矢網(wǎng)廣泛應(yīng)用于利用連續(xù)波信號進(jìn)行測量的場景，從微波網(wǎng)絡(luò)的角度，它是利用連續(xù)波測量網(wǎng)絡(luò)

S

參數(shù)的儀器。在

5G

OTA測試中，可用來進(jìn)行方向圖測試、EIRP和

TRP

測試。終端綜測儀終端綜測儀是

5G

芯片和終端研發(fā)、生產(chǎn)過程中的重要測量儀器。終端綜測儀是一個收發(fā)一體的儀器，依據(jù)

3GPP

TS

38.521-1

和

3GPP

TS

38.521-2

測試標(biāo)準(zhǔn)模擬基站發(fā)送

PBCH、PDCCH、PDSCH

下行信號；對上行

PRACH、PUCCH、PUSCH

信號進(jìn)行時域、頻域、調(diào)制域等多域分析；通過信令方式調(diào)整終端測試狀態(tài)，完成標(biāo)準(zhǔn)要求的測量配置。目前，外置毫米波變頻模塊是毫米波終端綜測儀的主流解決方案，滿足頻率覆蓋

24.24GHz~31.8GHz

和37GHz~43.52GHz、分析帶寬

800MHz/1200MHz的要求。終端模擬器終端模擬器是

5G

基站研發(fā)、生產(chǎn)過程中必不可少的測試儀器。終端模擬器能夠模擬終端側(cè)物理層、高層協(xié)議，對基站進(jìn)行協(xié)議符合性、功能、性能測試，對基站研發(fā)、生產(chǎn)過程進(jìn)行問題分析、定位。終端模擬器能夠支持毫米波頻段、400MHz/800MHz

大帶寬、60kHz/120kHz/240kHz

子載波間隔、多天線、多用戶模擬，支持

DC

和

CA

兩種協(xié)同方式?；揪C測儀基站綜測儀是收發(fā)一體化儀表，可以發(fā)射上行信號，解調(diào)下行信號，支持

3GPP

TS

38.141規(guī)定的全部測試?yán)?，滿足

NR

FR2

頻段的頻率和信號子載波間隔要求，是

5G

基站研發(fā)、生產(chǎn)過程中的重要測試儀器?；揪C測儀通過饋線與天線連接，實現(xiàn)對基站設(shè)備發(fā)射信號的

EVM、ACLR、OBW、POWER

以及基站接收靈敏度、阻塞特性和互調(diào)特性等功能測量，滿足毫米波基站設(shè)備的測試要求。信道模擬器5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書圖

6

5G

毫米波基站設(shè)備組成12信道模擬器是一種在實驗室條件下模擬無線信道特性的儀器，能提供城市微場景、城市宏場景、室內(nèi)場景、回程場景、D2D

場景、V2V場景和體育場場景等

5G

信道模型，在

5G

OTA測試中扮演著重要的角色。信道模擬器可以加載被測天線方向圖數(shù)據(jù)，是“兩步法”測試系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。在多探頭測試中，信道模擬器一端通過饋線與天線探頭連接，另一端與終端綜測儀、終端模擬器、信號分析儀等測試儀器連接，實際上實現(xiàn)了

OTA

測試

“適配器”的功能。加上其自身具備的衰減、衰落、多徑、多普勒等模擬功能，信道模擬器與天線探頭、暗室環(huán)境共同構(gòu)成了一個功能豐富的、靈活的測試系統(tǒng)。5G

毫米波設(shè)備的特點毫米波基站設(shè)備的特點5G

毫米波

Massive

MIMO

基站設(shè)備采用多通道混合多波束方案，在基站側(cè)可以進(jìn)行波束合成，實現(xiàn)波束掃描和多波束發(fā)射。一個典型的毫米波基站設(shè)備應(yīng)由核心網(wǎng)、基帶處理單元（BBU）與有源天線單元（AAU）組成，如圖

6所示。相較于

sub-6G基站系統(tǒng)，5G毫米波基站設(shè)備有自己的新特點，主要可以總結(jié)為以下幾點：天線與射頻通道集成。在

5G

毫米波基站中，為了減小損耗、方便眾多數(shù)量天線的集成與安裝，采用天線與射頻通道直接集成的連接方式。這樣，傳統(tǒng)的系統(tǒng)傳導(dǎo)測試方法已不再適用于

5G毫米波基站設(shè)備中，OTA測試技術(shù)成為主要的測試手段；采用多波束和波束合成技術(shù)。毫米波空間損耗大，采用波束合成技術(shù)提高了天線的增益，可用來彌補(bǔ)毫米波的空間傳播損耗，增加了等效發(fā)射功率與接收信噪比，增強(qiáng)了鏈路的穩(wěn)定性。另一方面，多波束技術(shù)的引入可以提高系統(tǒng)的吞吐量，提升系統(tǒng)的性能。但是，由于在不同波束指向下的系統(tǒng)性能不盡一致，在設(shè)備測試時，需要考慮到不同波束指向下的指標(biāo)表現(xiàn)；天線與射頻通道數(shù)目眾多。5G

毫米波基站采用Massive

MIMO

形式，且現(xiàn)階段大部分

RRU采用混合多波束形式，天線與射頻通道數(shù)目眾多，常見的通道數(shù)有

256、512

等；射頻前端體積減小，集成度更高。相對于

sub-6GMassive

MIMO

系統(tǒng)，毫米波波長更小，天線單元的尺寸更小，5G

毫米波

MassiveMIMO天線陣的體積大幅減小，這就要求器件的集成度更高。目前，常用的毫米波多通道芯片集成了

4、8

或

16

通道的收發(fā)鏈路，每條鏈路包括放大器、移相器、衰減器等射頻器件，部分芯片還集成了本振源部分。無源器件部分，除了高性能的毫米波濾波器外，濾波天線因其兼具濾波和輻射功能，在

5G

毫米波設(shè)備中有廣闊地應(yīng)用前景；系統(tǒng)帶寬大。毫米波有眾多待開發(fā)的頻譜，5G

毫米波基站因此系統(tǒng)帶寬大，通道帶寬將達(dá)到

400MHz甚至更大，部分廠商的基站設(shè)備已經(jīng)支持高達(dá)

800MHz、1200MHz的載波聚合功能。根據(jù)香農(nóng)定理，帶寬的增大提高了系統(tǒng)的吞吐量，更能滿足用戶需求。但同時增加了基帶信號處理的壓力，也給測試設(shè)備的基帶處理能力提出了挑戰(zhàn)；基站覆蓋范圍縮減。由于毫米波空間損耗大，導(dǎo)致毫米波基站覆蓋區(qū)域縮減。毫米波基站更適合用來做高容量熱點區(qū)域的覆蓋和替代光纖的無線回傳；設(shè)備體積小，散熱需求提升。相較于低頻段的基站設(shè)備，毫米波基站設(shè)備的體積更小，并且毫米波器件的功耗相對較高，設(shè)備內(nèi)部的電磁屏蔽與散熱成為了十分突出的問題。需要采用更加高效、小體積的方案解決屏蔽和散射等問題。5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書143.2毫米波終端設(shè)備的特點針對終端架構(gòu)，5G

終端將同時支持毫米波和低頻（sub-6GHz）頻段，如圖

7。在終端內(nèi)部，基帶調(diào)制解調(diào)器分別與毫米波和

sub-6GHz

的射頻集成電路相連接，接收和發(fā)送相應(yīng)的信號，同時支持

2/3/4/5G

多模基帶和射頻。在此基礎(chǔ)上，5G

終端將支持在毫米波頻段和低頻（sub-6GHz）頻段間切換，切換可以基于終端對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求和當(dāng)前信道狀態(tài)等信息。由于毫米波器件的功耗相對較高，合理地設(shè)計切換機(jī)制有助于降低終端功耗、提高續(xù)航時間?；鶐酒瑢崿F(xiàn)協(xié)議棧處理、物理層調(diào)度、基帶信號處理等功能，其中物理層加速器采用全

ASIC并行處理架構(gòu)方案，解決毫米波

5G

高吞吐量需求。毫米波射頻芯片的設(shè)計目標(biāo)為低功耗、低成本、小尺寸。射頻芯片實現(xiàn)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、中頻信號處理、模擬域波束收發(fā)等功能。封裝集成天線陣列（AiP）可進(jìn)一步節(jié)約面積，實現(xiàn)小型化。毫米波終端射頻設(shè)計與傳統(tǒng)的

4G

頻段完全不同，多個因素導(dǎo)致了

5G

毫米波終端將天線陣列和射頻前端集成，確保了性能的同時還可以保證易用性。在高頻的設(shè)計方法、天線元件增多、最小化信號路徑衰減、以及降低成本的共同驅(qū)動下，毫米波終端的集成水平不斷提高。高集成度所導(dǎo)致的結(jié)果是，毫米波中終端的無線電分配網(wǎng)絡(luò)電路和天線系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)射頻連接器不再出現(xiàn)。因此，5G

毫米波設(shè)備的收發(fā)器系統(tǒng)將直接與天線陣列集成。如圖

7所示，基帶與集成了數(shù)字、收發(fā)器、功率放大器、低噪放大器、開關(guān)的天線模組直接相連。該架構(gòu)可以同時支持多個天線模組以及天線切換。高集成化導(dǎo)致了

5G

毫米波終端沒有接口或者測試點提供給傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測試，所有的測試必須通過

OTA

測試的方式來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)終端設(shè)備的

OTA

測試，如下因素需要考慮：根據(jù)

3GPP

的定義，5G

終端的FR2

工作頻率運(yùn)行在

24.25GHz-52.6GHz

范圍內(nèi)，目前

3GPP定義了

n257、n258、n259、n260、n261、n262

等

6

個毫米波頻段，均采用

TDD

的雙工方式。圖

75G

終端架構(gòu)考慮到毫米波的傳輸特點，傳輸損耗比較大，覆蓋范圍有限。傳輸過程中直射傳播占主要成分，容易被外界物體所阻礙，比如身體，手掌，墻面等，所以需要使用

Beamforming來提高增益。毫米波更加關(guān)注使用有源天線陣列基于

Beamforming

技術(shù)去改善覆蓋的需求。另外，為了改善手握天線對于毫米波信號的衰減，5G

毫米波終端一般在終端上會布局多個不同的天線模組以減小手握對于信號的影響。如圖

8

所示：圖

8

終端上不同毫米波天線模組根據(jù)終端天線布局的設(shè)計，又可以將天線布局分為

3

個

Category，分別為

Category1

單個天線孔徑，尺度為

5cm。Category2，多個不連續(xù)天線孔徑，每個天線孔徑在

5cm左右。Category3

大天線孔徑,天線孔徑為

15cm

左右。OTA

射頻測試測試內(nèi)容射頻測試主要用來評估毫米波設(shè)備諸如總發(fā)射功率（TRP）、等效全向輻射功率（EIRP）、誤差矢量幅度（EVM）等的射頻指標(biāo)。在

5G

毫米波設(shè)備測試中，一般采用射頻一致性測試進(jìn)行設(shè)備射頻指標(biāo)的檢測，即檢驗設(shè)備的射頻指標(biāo)是否符合

3GPP的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。由于毫米波終端的天線采用了

AiP

的封裝形式等原因，無法進(jìn)行毫米波的傳導(dǎo)方式測試，所以對于絕大部分廠家而言，對于毫米波終端設(shè)備的評估都會基于

OTA

的方式來完成。3GPP

對于終端發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的測試主要定義在

TS

38.521-2、TS

38.521-3

兩個規(guī)范中[2][3]。其中

TX

測試定義了四種方法，包括

Direct

far

field，Direct

far

field

simplification，Indirect

farfield，Near

field

to

far

field

transform

等四種方法。終端的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試定義了

TRP，EIRP，EIS

CDF

等各個測試項，具體測試項目如下表所示。5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書16表

1 3GPP

TS

38.521-2、TS

38.521-3

規(guī)范中終端發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試項目從

5G

開始，基站設(shè)備的測試也開始引起人們關(guān)注。根據(jù)

TS

38.141-2，

毫米波基站一致性射頻測試指標(biāo)總結(jié)見表

2。對于這些射頻指標(biāo)的測試手段，其基本方法同毫米波終端的類似。在這些測試方法中，基于緊縮場的測試方法由于其測量距離較短、占地面積較小、靜區(qū)面積相對較大，且其測試精度可以與遠(yuǎn)場結(jié)果相比擬，相對比較適合于毫米波基站或

AAS的測試。已有報道宣布采用緊縮場測試方法完成了

5G

毫米波基站射頻項的測試。除了

3GPP

定義的測試項，在基站測試中，基于波束的射頻指標(biāo)測試項值得引起注意。表

2基站一致性測試項指標(biāo)項

[4]測試方法OTA

射頻測試的方法主要有直接遠(yuǎn)場法、間接遠(yuǎn)場法、近場測試方法等。直接遠(yuǎn)場法（Direct

FarField,

DFF）天線特性通常在遠(yuǎn)場測量。近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)由

Fraunhofer

距離

R=2D2/λ定義，其中

D

是最大輻射區(qū)域口徑尺寸。遠(yuǎn)場測試在整機(jī)測試下對測試環(huán)境有較高要求。舉個例子，一個尺寸為

5cm（Category1）工作在

28GHz

的天線模塊所需的遠(yuǎn)場測試距離為

0.47m。當(dāng)一個尺寸為

15cm（Category3）工作在

28GHz

的智能手機(jī)作為待測件時，遠(yuǎn)場測試距離為

4.2

m。圖

9是一種常見的終端直接遠(yuǎn)場測試方法。圖

9UE

的直接遠(yuǎn)場測量測量設(shè)置在

3.2節(jié)中提到，終端天線布局可以分為

3

個

Category。根據(jù)天線布局，表

3

給出針對三種不同情況下的終端設(shè)備，推薦采取的測試手段。表

3三種終端天線布局下推薦測試手段DUTcategoryDirectFar

Field(DFF)Indirect Far Field(IFF)AntennaConfiguration1YesYesAntennaConfiguration2YesYesAntennaConfiguration3NoYes5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書從表

4

中可以看到，在天線口徑

D=5cm，頻率

f=28GHz

時，遠(yuǎn)場距離為

47cm，路徑損耗值為

54.8dB。隨著天線口徑的增加，遠(yuǎn)場距離迅速增加，這將增加遠(yuǎn)場暗室的尺寸和成本。同時，路徑損耗也在相應(yīng)增加。比如表中給出的在頻率

f=100GHz、遠(yuǎn)場為

167cm下的路徑損耗為

76.9dB。遠(yuǎn)場距離的增加導(dǎo)致路徑損耗的增加，這對測試系統(tǒng)的動態(tài)范圍提出更高的要求?；谝陨蠁栴}，針對小于傳統(tǒng)遠(yuǎn)場暗室條件下的測試問題，已有相關(guān)研究[5]。4.2.2

間接遠(yuǎn)場法(Indirect

FarField,IDFF)間接遠(yuǎn)場的基本設(shè)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(yuǎn)場條件。緊湊型天線測試范圍（CATR）或緊縮場測試范圍使用反射器將球面波轉(zhuǎn)換成平面波，反之亦然。由于靜區(qū)大小取決于反射器特性而不是遠(yuǎn)場測試距離，因此只要選擇合適的反射面，就能夠18換言之，針對類別

1

和類別

2，設(shè)備供應(yīng)商或制造商需要提供天線的確切位置，以便于進(jìn)行天線的整體性能測試和整機(jī)輻射性能測試，例如波束賦形的水平。實際上，天線的確切位置對于設(shè)計和調(diào)試而言同樣十分關(guān)鍵。不過，對于類別

3

而言，關(guān)注更多的是設(shè)備的整機(jī)性能。在這種情況下，天線的位置可以不必確切知道，測試時整個設(shè)備將會作為“黑盒”處理，但測試靜區(qū)要大于

15cm。不同頻率不同天線口徑下根據(jù)遠(yuǎn)場條件計算得到的遠(yuǎn)場距離和路徑損耗在表

4中給出。表

4

不同頻率不同天線口徑下的遠(yuǎn)場距離和路徑損耗情況表D(cm)Frequency(GHz)Near/farboundary(cm)PathLoss(dB)Frequency(GHz)Near/farboundary(cm)PathLoss(dB)5284754.810016776.9102818766.810066788.9152842073.9100150196202874778.910026681012528116782.710041691053028168185.91006004108建立一個比遠(yuǎn)場更緊湊的測試環(huán)境。（1） 緊湊型天線測試范圍（CATR）通過拋物反射面的方法創(chuàng)造出遠(yuǎn)場條件的測試方式叫做緊湊型天線測試（CATR）或緊縮場測試。緊縮場測試方式如圖

10

所示。為了在測試靜區(qū)得到想要的平面波，緊縮場法通過反射器將球面波變換到平面波。這種間接測試方法是基于光學(xué)變換原理并且是互易的，也就是說設(shè)備的收發(fā)測試均可以通過這種方式進(jìn)行。這種方法已經(jīng)被

3GPP

采納，作為有源天線系統(tǒng)（ActiveAntenna

System,

AAS）基站側(cè)（Base

Station,BS）的射頻測量和

5G

終端射頻測量的標(biāo)準(zhǔn)測試方法[6]。緊縮場解決方案可以針對

FR2

中的所有頻段。圖10 UE

端射頻測量的緊縮場測試方案[6]這種測量方法的關(guān)鍵組成部分包括反射器、轉(zhuǎn)臺、測量探針天線和鏈路通信天線。反射面的設(shè)計是緊縮場測量方法的關(guān)鍵，要采取合適的手段將邊角的繞射效應(yīng)降到最低。兩種常用的手段是：鋸齒狀邊角設(shè)計和卷邊邊角設(shè)計。采用鋸齒狀邊角設(shè)計的拋物面，使得電磁場在拋物面反射器和自由空間中平滑過渡，從而減小了拋物面的邊緣繞射，繞射波也將CATRFeed

antennaDUTRotation

systemSignal

Generator/Signal

AnalyzerControl

PC5G/6G

毫米波測試技術(shù)白皮書20遠(yuǎn)離測量靜區(qū)。鋸齒長度視最低頻率而定，典型值為

5

倍于最低頻率波長。卷邊邊角是將拋物面的邊緣向后彎曲，這種結(jié)構(gòu)上的光滑過度會降低拋物面反射器的邊緣繞射。轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)可以調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)雙極化天線與待測設(shè)備之間的角度。轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)必須可以有兩維的旋轉(zhuǎn)自由度。在緊縮場測試系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)臺和待測設(shè)備一樣，是放在測試靜區(qū)內(nèi)。靜區(qū)內(nèi)的電磁場變化較小，其范圍大小決定了可以測量的設(shè)備的最大尺寸。靜區(qū)的大小是由拋物面反射器的大小決定的。饋源測試天線放在暗室的合適區(qū)域給拋物面反射器饋電。電磁波從饋源天線發(fā)出，經(jīng)過反射面反射到測試靜區(qū)，供給待測設(shè)備系統(tǒng)接收測試。相反，饋源接收待測設(shè)備系統(tǒng)發(fā)射，經(jīng)過反射面反射的信號，完成發(fā)射測試。緊縮場間接遠(yuǎn)場測試的優(yōu)點是可以縮短遠(yuǎn)場距離，減小了路徑損耗，同時又能形成遠(yuǎn)場情況下的平面波條件。上文曾提到過，設(shè)備的動態(tài)范圍是

OTA

測試的關(guān)鍵，尤其針對毫米波系統(tǒng)的