混响室测量5G移动通信天线的可行性分析

孙继恒，周丽铃

（中国电子科技集团公司第七研究所凯尔实验室，广东 广州 510310）

1 引言

5G移动通信将应用于大规模物联网、增强移动宽带及低时延高可靠通信三大应用场景中，3GPP针对移动宽带和物联网给出了LTE-A-Pro的标准方向，其中针对移动宽带的目标是更高数据吞吐量、更大带宽（载波聚合）及高复杂度（如4×4MIMO）。由于天线在移动通信发射和接收中扮演中心角色，因此5G天线的研究也在不断推进中，5G天线延续了传统天线的特点，但也有别于传统的移动通信天线。目前研究设计的移动通信天线被分为无源和有源两部分。相对应地，针对天线的测量分为无源测量和有源测量，无源测量包括通信天线的基本特征，典型的参数是效率和分集增益等。在有源测量中，天线被集成在一个有动力的设备中，测量总辐射功率和总辐射灵敏度等，并表征整个接收机或发射链，包括天线和放大器。

天线测量的目的主要是检验天线的性能指标是否满足设计要求，以实现对关键部件和结构的调整，是验证设计思路的有效形式[1]。但是5G天线的测量因为研发技术的不断推进出现了传统天线测量方式不足以满足天线性能测量的尴尬局面，无法真实解读天线性能属性和把握天线质量控制。

业界针对5G移动通信测量的主要想法是采用传统与扩展相结合的解决方案，本文将提出研究已有半个多世纪，有别于传统近、远场天线测量，被广泛应用于电磁兼容性和辐射设备特性测量，也被用于辐射效率和分集增益测量的混响室，以用于5G移动通信天线的测量。

2 近、远场测量

图1中的D表示待测天线的口径，λ表示对应的波长，其中D＞＞λ。近场与远场的天线测量原理是基于天线辐射范围与距离之间的关系：在大于2D2/λ的距离外，可以近似地认为在所测试的平面上球面波前是等相的，此为远场的直接测量；在与2D2/λ之间，通过把待测天线在空间建立的场用数学的方法展开成平面波函数之和，外加利用多个探针采集数据，实现近场测量。

图1 天线场范围的概述

在5G移动通信天线可拆卸的状态下，将有源部分拆下，采用传统的近、远场测量无源部分获得天线辐射参数结果；而针对有源部分的功率测量等项目，将通过增加设备（比如网络分析仪＋矩阵开关）的硬件方式实现多通道信号产生、多通道相位差测量、多探头功率测量等，外加软件算法或直接测量获得所需参数结果。

此解决方案在5G移动通信中低于6 GHz的频段内可沿用已经建设好的无源天线测试场地，通过增加部分设备及软件配套的扩展方式解决有源模块的测量，节约了成本。但是传统测量中的远场无法快速实现方向图各个角度的切割，并且随着后续发展，有源模块必将与无源集成，此方案无法长期使用。

3 混响室测量

为长远解决5G移动通信天线的测量难题，利用磁场测量电磁辐射的混响室方法引起关注。

如图2所示，混响室是一个高导电性的谐振腔，通常是由不同尺寸的金属腔和动态的搅拌器组成。金属腔中可以激发出几种谐振模式，每个谐振模式只显示它们的场分布，通过适当的模式获得可重复测量结果的均匀分布场。混响室因其改变电磁场边界的方式不同，可以分为三类：机械搅拌混响室-MSRC、电子模搅拌混响室rc-emsrc和固有混响室IRC。

图2 混响室示意图

3.1 混响室的研究

混响室属于新的天线测量方式，所以研究中会遇到非常多的困难，比如在混响室条件下进行辐射敏感度测量时，电磁环境场强难以度量；如何计算出所需的功率测量项目；如何提取天线方向图；如何应用于实际工程测量中等。随着研究的不断深入，这些难题也在不断地被解决。

文献[2]分析了混响室内电场强度的统计特性，理论推导出有损混响室内场强空间相关系数表达式，得出混响室内环境场强测试位置与受试设备（EUT）距离应大于0.5倍波长的结论。此表达式经过仿真分析并实验验证了正确性，以此作为测量位置选取准则。另外，文献[3]中也指出应确保天线不太靠近吸收材料。当天线靠近或朝向射频吸收器时，能量会在模式搅拌前被吸收，这就减少了连接到接收天线的功率。

近年来利用电磁波的多径传播来增加数据吞吐量的多输入多输出（MIMO）技术被广泛应用，混响室的原理可提供测量需要的多重反射环境，被3GPP提议作为多输入多输出（MIMO）空中性能一致性测量的候选方法之一。

混响室可评估天线辐射功率、自由空间辐射电阻、总辐射功率（TRP）、总各向同性灵敏度（TIS）、OTA、分集增益、MIMO系统容量、吞吐量及MIMO天线的辐射特性[4-8]。测量总辐射效率与传统的“自由空间”环境中定义的天线相同[6]；指向性和增益的检查需要适当的程序和巧妙的后处理；MIMO天线系统性能的包络相关系数通过两种计算方法在混响室中测量[9]，该指标越小越好，可提高通信速率；辐射效率测量的准确性受到直接耦合的限制，造成了Rice分布参数[7-8]，准确度可以利用平台搅拌改进。

混响室测量中，提取天线方向图是最难实现的，研究者们正不断探索不同的算法及测量方式。目前的研究中有估算混响室天线方向性的方法[10-11]；利用时间反演技术，从时域着手，进行数字研究和验证[12]；利用平面波分解和空间多普勒分析来移动待测物，获得多普勒功率谱密度的方式[13]；实时多普勒效应，每个角度只进行一次测量，得到天线的辐射方向图[14]；通过一种替代测量的方法，在平均吸收截面理论下，使用两个嵌套或连续的混响室测量[15]等方法获得天线的辐射方向图。

综上，混响室可测量得到天线的辐射参数和功率参数，特别是现在5G应用的MIMO天线性能参数测量。下面将分析Kate A. Remley等人通过配置混响室验证蜂窝无线终端的TIS和TRP测量[3]。

3.2 混响室测量无线蜂窝设备

Kate A. Remley等人首先对OTA测量针对搅拌器的位置、测试天线类型、吸收器的数量和位置等做了全面的理论研究，测量中相关的配置如表1所示：

表1 用于实验的混响室配置

一旦混响室配置（功率传递函数评估；天线、RF负载与金属表面之间的位置关系；搅拌器的模式选择）设置好，信道特征（相干带宽、RMS时延扩展、空间均匀性）得以掌握，外加缺乏空间一致性导致的不确定度明确之后，即可进行针对无线蜂窝设备的OTA测量。

实验选用单输入单输出的蜂窝无线设备，测量关注两个共同问题：TRP、TIS。测量得到混响室和电波暗室之间的协议是在2 dB内进行TRP测量，在4 dB内进行TIS测量，在两个测量环境中测量结果表现出一致性。

通过现有研究及实验证明，混响室适合5G移动通信天线的测量，并且其多径的测量环境与MIMO天线性能的测量非常契合。

与微波暗室相比，混响室更小、更便宜、更省时，除了可测量天线辐射特性外，还能通过测量更多的有源项目来衡量天线的通信情况。

4 结束语

随着5G移动通信天线的发展，设计结构越来越复杂，功能越来越多使得测量5G天线也成为了难题。业界给出了传统近、远场测量与扩展相结合的方案，但仍无法解决5G天线集成后天线测量的难题。混响室可用于5G天线的测量，既能满足无源天线参数测量，也能满足有源模块功率测量。不过目前针对5G天线的混响室测量实验还较少，需要做更多的研究和验证。