《電子技術(shù)應(yīng)用》
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5G平面波模擬器的研制與應(yīng)用
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
王正鵬，喬兆龍，張雨生，孫雪蕾，朱詩瑤，謝擁軍，苗俊剛
北京航空航天大學(xué) 微波感知與安防應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100191
摘要： 5G平面波模擬器是一種新型的空口測量系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)中陣列天線各個天線單元進行合理的幅度相位激勵，在近場距離合成準(zhǔn)平面波。在準(zhǔn)平面波環(huán)境中既可以進行傳統(tǒng)的無源天線指標(biāo)測量，又可以進行基站射頻指標(biāo)和系統(tǒng)性能指標(biāo)測量。平面波模擬器系統(tǒng)能夠有效壓縮測量空間，從而大大節(jié)省測量系統(tǒng)成本，是空口測量取代傳統(tǒng)傳導(dǎo)測量的一種重要技術(shù)方案。從5G平面波模擬器的發(fā)展歷程、設(shè)計方法及應(yīng)用等幾個方面進行了論述。
關(guān)鍵詞： 5G 平面波模擬器 空口測試
中圖分類號： TN98
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200499
中文引用格式： 王正鵬，喬兆龍，張雨生，等. 5G平面波模擬器的研制與應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(7)：1-6.
英文引用格式： Wang Zhengpeng，Qiao Zhaolong，Zhang Yusheng，et al. The development and application of plane wave generator in 5G[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(7)：1-6.
The development and application of plane wave generator in 5G
Wang Zhengpeng，Qiao Zhaolong，Zhang Yusheng，Sun Xuelei，Zhu Shiyao，Xie Yongjun，Miao Jungang
Beijing Key Laboratory of Microwave Sensing and Security Applications，Beihang University，Beijing 100191，China
Abstract： The plane wave generator(PWG) is a novel measurement system for 5G over the air(OTA) testing. A quasi plane wave in the near-filed is synthesized by exciting the antenna elements in the PWG array gracefully. The PWG system does not only meet the requirements of traditional passive antenna measurement, the radio frequency(RF) parameters as well as system performance of the base station(BS) can be accurately measured in the same system. The application superiority of the PWG system is the spacing saving ability, resulting in a significant cost saving, which prompt it to become an alternative solution of the traditional conducted measurement technology. In this paper, the developing history, the design process and typical scenarios in 5G application of the PWG system are proposed.
Key words : 5G；plane wave generator；over the air testing

0 引言

    移動通信技術(shù)在近40年的時間里取得了飛速的發(fā)展，如今進入到了5G時代[1-5]。5G通信系統(tǒng)涵蓋了一系列新的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括：大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等[6]?；臼菢?gòu)成移動通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成設(shè)備，5G基站天線采用了大規(guī)模多輸入多輸出(Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO)天線陣列，其天線單元數(shù)目相較4G基站有了明顯的提高[7-9]。與此同時，基站天線與后端射頻組件的集成度也已經(jīng)大大提高，部分5G基站天線已經(jīng)不再提供測試端口，這些新的特點都促進了空口(Over the Air，OTA)測試技術(shù)的快速發(fā)展[10-12]。

    OTA測試不需要在被測基站天線上連接復(fù)雜的測試線纜，而只是以輻射的方式對基站天線整機進行測試。目前可用于5G基站天線OTA測試的傳統(tǒng)測試場包括：室內(nèi)遠(yuǎn)場、緊縮場(反射式)和多探頭球面近場[13]等。然而室內(nèi)遠(yuǎn)場所需空間過大，緊縮場造價較為昂貴，多探頭球面近場需要對測試數(shù)據(jù)進行近遠(yuǎn)場變換，無法對基站部分射頻信號和業(yè)務(wù)信號進行直接測量[10]。平面波模擬器是一種新型的可用于5G基站天線測量的OTA測試裝置，其通過天線陣列和幅相調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在近場距離生成天線測試所需的準(zhǔn)平面波環(huán)境，從而滿足天線遠(yuǎn)場測試條件。平面波模擬器具有尺寸緊湊、造價適宜和可以使用遠(yuǎn)場測試方式對5G基站天線射頻和業(yè)務(wù)信號進行直接測量的能力[14-18]。

    從1984年開始，已有眾多研究人員對平面波模擬器進行了廣泛的研究，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的HILL D A首先提出了在近場區(qū)域使用相控陣列合成平面波用于電磁敏感測試的理論[19-20]。2002年，COURTNEY C C搭設(shè)了一個簡易的平面波模擬器系統(tǒng)，測量過程采用了分時采樣的方法[21]。2003年，猶他州州立大學(xué)的HAUPT R使用遺傳算法對一種均勻線陣平面波模擬器進行了仿真，所設(shè)計的靜區(qū)平面波幅度波動小于2 dB，相位波動能夠小于1°[22]。2009年，意大利學(xué)者D′URSO M為了節(jié)約仿真時間，提出了平面波模擬器的稀疏布陣方法[23]。2012年，北京航空航天大學(xué)王輝采用喇叭陣列天線的架構(gòu)對平面波模擬器進行了仿真設(shè)計[24-25]。2013年，BUCCI O M結(jié)合前人的研究結(jié)果，給出了平面波模擬器的一系列設(shè)計指南[26]。而近年來，為了解決5G基站OTA測試面臨的諸多挑戰(zhàn)，一些研究人員開始將平面波模擬器作為一種5G OTA測試系統(tǒng)展開深入研究[14-18]。

    本文主要針對北京航空航天大學(xué)在5G平面波模擬器的設(shè)計方法、系統(tǒng)實現(xiàn)及典型應(yīng)用方面的工作進行重點的介紹和論述。




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作者信息:

王正鵬，喬兆龍，張雨生，孫雪蕾，朱詩瑤，謝擁軍，苗俊剛

(北京航空航天大學(xué) 微波感知與安防應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100191)

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