基于波束赋形技术多天线无线局域网设备测试方法探究

杨昀潮，王志欣，付 靖

（1.中国信息通信研究院西部分院，重庆 401336；2.国家无线电监测中心，北京 100037；3.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

随着无线局域网技术的不断演进，Wi-Fi 6（802.11ax）[1]作为新一代无线局域网技术，相关产品正加快应用。802.11ax在多天线技术方面继续延用和加强了波束赋形技术，该技术是通过调整多天线阵列中每个天线阵元的加权系数产生指向性波束，从而能够获得明显的赋形增益。鉴于此种赋形增益带来的辐射特性变化，有必要对使用波束赋形技术的无线局域网设备辐射功率等射频指标进行进一步的研究与验证。

本文对使用了波束赋形技术的无线局域网设备，在直连传导、空口辐射与空口OTA环境下的等效全向辐射功率和总辐射功率指标进行了验证试验，对比分析得出在不同测试方法下测得的结果的差异，并对我国法规准入测试方法提供了参考建议。

1 国际相关类型无线电设备法规准入测试方法情况

（1）多天线无线局域网设备CE认证简介。欧盟C E认证将无线局域网设备定义为宽带数据传输设备，相关技术要求标准主要有2.4 GHz频段《ETSI EN 300 328》[2]和5 GHz频段《ETSI EN 301 893》[3]等。在欧盟CE认证法规中，如果被审查的设备支持多天线技术，则输出功率、功率谱密度以及发射杂散等6项技术指标需要在多天线场景下进行测试，然后将各端口测试结果进行累加求和得出最终结果。

（2）多天线无线局域网设备FCC认证简介。FCC对于无线局域网设备认证的测试指标及测试方法标准分别为E-CFR（联邦法规电子代码），Part 15.247和Part 15.407；测试方法标准为《ANSI C63.10》[4]和FCC知识数据库（FCC Knowledge Database）中规定的测试方法。针对多天线无线局域网设备主要需要对每根天线端口的输出功率、功率谱密度、占用带宽、边带杂散以及发射杂散等指标进行检测评定，再将每根天线的测试结果进行求和作为最终结果以用来验证其法规符合性。

2 现行国内无线局域网设备无线电管理技术要求及测试方法

现阶段国内无线局域网类设备的无线电管理检测技术要求依据主要有，信部无〔2002〕353号[5]、工信部无函〔2012〕620号[6]、信部无〔2002〕277号[7]等相关无线电管理规定及文件。对于多天线无线局域网设备，目前国内无线电管理准入检测方法是对被测设备每个天线端口的射频指标进行核验检测，再通过累加各端口测试结果从而得到该设备的最终检测结果。

3 国内多天线无线局域网测试方法探究

鉴于波束赋形增益所带来的空间辐射特性的变化，本文依托现有测试手段对被测样品的发射功率，在直连传导、空口辐射以及OTA测试环境下开展验证测试，得到在不同环境下的测试结果，并对结果进行了比对分析，给出了一套国内无线电法规准入测试方法参考建议。

3.1 直连传导测试

对于多天线设备，直连传导测试主要是将被测设备设置在多天线并发模式下发射信号，再针对设备每个天线端口进行功率测量，结合企业宣称的天线增益等参数，对各端口测量结果进行累加计算得出最终结果。

图1 直连传导测试环境图

3.2 空口辐射测试

空口辐射测试是将被测样品放入全电波暗室环境下，在确定被测设备最大辐射方向后，对被测样品进行射频参数测试。该种测试方式的具体测试环境示意图如图2所示。

图2 空口辐射测试环境图

3.3 空口OTA测试

空口OTA测试主要用以完成总全向辐射功率（TRP），其定义为被测设备在空间三维球面上的射频辐射功率积分值，反映了被测设备在所有方向上的发射特性。

通过在被测设备周围不同球面位置测量EIRP来衡量EUT的射频辐射性能，得到EUT的三维辐射特性。在球坐标的θ轴和φ轴分别每间隔15°取1个测量点，即能够充分描述EUT的远场辐射情景和总全向辐射功率情况。由于考虑辐射球面完整度，在θ=0°和θ=180°时不用测试，所以每个极化需测量264个点，将所有测量结果按要求积分得到TRP。

图3 空口OTA测试环境示意图

图4 空口OTA球面示意图

3.4 测试结果与结论

3.4.1 直连传导及空口辐射测试结果

图5 描绘的是对被测样品在直连传导及空口辐射环境下测得的发射功率结果，从测试数据总体趋势上看，直连传导环境下测得的EIRP结果基本均高于在空口辐射的结果。

图5 直连传导与空口辐射测试结果趋势对比图

3.4.2 空口OTA总辐射功率（TRP）测试情况

从OTA TRP试验结果来看，TRP测试结果均远小于直连传导以及空口辐射测试结果。造成此种情况的原因有两方面：

一是总辐射功率TRP测试原理造成，总辐射功率TRP是对被测设备在OTA暗室环境下对其三维空间全向进行EIRP测量，再通过如下公式对所测得的球面EIRP进行平均计算而得出的结果。

这就使得TRP在理论上是全向EIRP做平均计算的结果，故肯定会小于最大EIRP值。

二是考虑被测样品实际天线的天线效率较低，无法把端口全部功率向空间进行辐射所造成的，此点将会在下一节通过实际测试结果进行计算验证。上述两方面是导致总辐射功率TRP测试结果偏小的主要原因。

图6 直连传导与空口OTA测试结果趋势对比图

3.4.3 测试方法优劣势分析

基于上述所开展的具体测试情况，从测试环境配置及操作复杂程度、测量精度以及测试效率三个维度，对上述三种试验方法进行横向对比分析。

（1）测试环境配置及操作复杂程度。如图1、图2、图3所示，从直连传导、空口辐射以及空口OTA测试环境配置方面来看：直连传导测试的测试环境通常为电磁屏蔽室，直接将被测设备通过射频电缆及相关射频器件（如衰减器、功分器等）与测量仪表即可，测试环境搭建简便，测量场地要求相对较低；空口辐射测试需要在电波暗室环境下开展测试，测试前需要测试人员对被测设备的最大功率辐射方向以及天线极化方向进行搜索确认，以保证相关测试在被测设备最大辐射方向下进行，从而得到有效数据；空口OTA测试需要在OTA电波暗室环境下开展测试，对于总辐射功率（TRP）项目，需要对被测设备辐射球面上的上百个测量点分别进行测量，从而获取整个球面测量点的测试数据，在通过相应TRP计算公式，计算得出测量结果。

（2）测试精度。直连传导测试方法的优势在于测试链路校准节点相对较少，校准精度高且操作简便。相比空口辐射测试环境及OTA测试环境，仅需对测量链路中所用的射频电缆及测试附件（如衰减器、功分器等）进行校准，无需对电波暗室环境下的空间链路进行校准，空间链路校准在很大程度上，精度相比传导链路校准有所差距。故直连传导测试方法由于其校准精度高且方便开展，在测量精度方面有更高的保证。

（3）测试效率。综合上述测试环境配置及操作复杂程度，以及测试前对测试链路校准的方便程度，直连传导测试作为现阶段最常用的射频测试手段，在大部分射频指标测试项目上的测试效率相对较高。

4 结束语

综上，通过验证试验结果可以看出，由于在测试环境精度、被测设备天线效率等因素上存在不可避免的差别，直连传导测试无论从测试精度以及测试效率角度来看，相较空口辐射及OTA测试更加准确便捷。最后，在无线通信技术更迭日趋频繁的今天，国内相关无线电频率及设备的管理方式方法也应充分考虑新技术发展的特点。本文通过对多天线无线局域网设备的相关技术特性进行了实际验证测试，对比在不同测试方法下的结果准确性，相关研究结论可为后续相关工作提供参考。