未来移动通信论坛5G和6G毫米波测试技术白皮书零功耗通信白皮书60页.pdf

5G/6G毫米波测试技术白皮书目录目录.01.背景.21.1 5G 毫米波测试现状与标准进展.42.5G/6G 毫米波测试系统.62.1 微波毫米波暗室测试环境.62.1.1 远场暗室.72.1.2 近场暗室.82.1.3 紧缩场暗室.102.2 5G 毫米波测试仪器.103.5G 毫米波设备的特点.123.1 毫米波基站设备的特点.123.2 毫米波终端设备的特点.144.OTA 射频测试.154.1 测试内容.154.2 测试方法.174.2.1 直接远场法（Direct Far Field,DFF）.174.2.2 间接远场法（Indirect Far Field,IDFF).184.2.3 近场（Near Field,NF）.215.OTA 系统性能测试.235.1 测试内容.235.2 测试方法.235.2.1 混响室法.235.2.2 辐射两步法.235.2.3 多探头法.255.3 3GPP UE 无线资源管理测试方法.305.4 3GPP UE 解调测试方法.326.6G 测试技术展望.336.1 6G 信道测量.336.1.1 6G 信道特点.336.1.2 信道测量系统.356.1.3 信道测量方法.376.1.4 毫米波信道测量研究进展.406.2 太赫兹测试.436.3 超大规模 MIMO 与全数字多波束.466.4 毫米波卫星通信测试简述.486.4.1 卫星通信.486.4.2 卫星通信系统测试.507.总结.52参考文献.52缩略语.56致谢.585G/6G 毫米波测试技术白皮书21.背景毫米波技术已在 5G 通信系统中应用，例如毫米波基站采用 Massive MIMO 技术来获得高增益，以补偿高频引起的信号衰减；毫米波终端采用具有波束合成功能的毫米波模组，实现空间角度上的覆盖。随着 5G 的大规模商业化，全球移动通信业界已开始筹划 6G 移动通信关键技术的研究。其中，太赫兹技术、超大规模天线阵列、空天地一体化的卫星通信、全频谱通信、人工智能等技术都有可能成为实现 6G 通信的关键技术。毫米波因其丰富的频谱资源，必将在 6G 通信中继续扮演重要角色。伴随着通信频率的升高，测试技术较以前也发生了翻天覆地的变化。通常测量 2G、3G、4G 系统，射频与天线有各自独立的指标体系和测量方法，可以分开测试、独立评估。射频指标一般采用传导测试方法，通过线缆将被测射频组件的端口与仪器直接相连，测量精度主要取决于仪器的性能；测量天线时，将天线的射频端口与仪器（例如矢量网络分析仪）相连，进行驻波测量和暗室环境下的天线方向图的测量。在毫米波频段，天线单元与射频单元之间的毫米波信号传输易受传输线长度、转接匹配等因素的影响，为了性能考虑，毫米波设备的射频与天线将一体化设计制造，这就导致了天线和射频之间没有可以剥离的测试端口，连基本的线缆连接都无法实现，天线和射频单元无法分开测试。这对测试原理与方法的提出了极大的挑战。对此业界已经达成共识，空口（Over-The-Air，OTA）测试将成为 5G 毫米波系统的主要测试形态，而测试对象将是一体化的毫米波多波束阵，而不是独立的射频和天线组件。在此条件下，需要建立新的测试指标体系和评估方法。同时可以预见，OTA 测试技术也将会是 6G 通信设备的主要测试手段。在毫米波测试进展方面，经过国内外相关标准推进组、运营商、设备商与高校近几年的努力，毫米波设备的相关测试方法已逐渐明晰，相关测试指标也已逐步达成共识。2020 年 7月定稿的 3GPP R16 在 R15 的基础上，补充了毫米波基站、终端的测试方法和相关指标，对于终端多天线性能的测试也形成了技术报告，为毫米波设备的测试认证提供了参考依据。虽然毫米波设备的测试框架已逐渐明朗，但是仍有不少技术指标与测试方法还在研究讨论中，尚未形成最终的技术规范，3GPP R17 正对毫米波测试技术进行进一步的讨论。相较于 FR1频段设备的测试，毫米波频段设备的测试由于其测试的复杂性，整体上仍然推进较为缓慢。移动通信产业链基站、芯片、终端的研发、生产、验收等各环节都离不开测试仪器与测试技术的支撑。测试技术的特点是交叉性强，跨学科、高性能、应用广。测试技术伴随着每一代移动通信技术的演进，从 2G、3G 到 4G，系统的工作频段均在 6GHz 以下、信号带宽在百兆以内，测试仪器的核心技术指标没有发生巨大的变化，测试技术和测试仪器并没有受到太大挑战，甚至同一硬件平台进行软件升级就可以应对满足新一代的测试需求。但是在 5G时代，由于带宽、通道数、频段都有了数量级的飞跃，测试技术的后向兼容性被打破了，测试原理需要重新被探索，测试仪器性能需要极大地提升。5G 毫米波给测试技术带来的巨大挑战主要体现在以下方面：在系统通道校准方面，针对高达 256 通道以上的大规模天线和射频组件，如何进行合理有效的校准是影响测试效果的前提，如何进行快速高效测试也是影响测试成本和效率的关键问题。在高频段的射频指标测试方面，5G 毫米波天线与收发信机（Tx/Rx）甚至数模/模数（DAC/ADC）转换电路将一体化设计与加工，无法单独对射频前端进行测量。并且，射频电路的带宽、噪声系数、灵敏度等诸多性能指标与天线的特性相互影响，难以单独评估。OTA测试是主要的测试手段。但是，OTA 测试也面临着挑战。一方面，毫米波频率高，空间传输损耗大，致使仪器接收到的待测信号功率较小，影响测试的精度。尤其是针对设备带外杂散等指标测试时，往往较难准确捕捉到待测频率的信号。另一方面，大规模多波束天线阵在方向图上，既非全向辐射也不是一个简单的定向波束，因此传统天线的增益、波束宽度等性能指标已无法准确描述其行为特征。同时，传统通信系统中定义的部分系统指标，如最大辐射功率等，在多波束条件下也需要重新定义。在测试方法选择方面，针对射频指标测试的远场、近远场变换、紧缩场的方法各有利弊，针对多天线性能测试的混响室法、两步法、多探头法在毫米波频段仍然存在巨大挑战，甚至有的测试方法不适用毫米波设备的测试。在测试平台的实现方面，大规模多通道和大带宽带来极大的数据流量，测试平台的数据处理能力面临很大压力，需要在硬件和算法架构有新的突破。总之，相比传统的天线与射频测试，5G 毫米波面临测试指标体系、测试原理与方法、测试平台的重大变革。当前迫切需要研究此类基础性、先导性的科学问题，针对一体化毫米波天线阵的行为特征，修正或构建新的参数定义与测试指标体系，探索科学的测试原理，研制高效的测试平台。5G/6G 毫米波测试技术白皮书41.15G 毫米波测试现状与标准进展毫米波信道测量信道测量能够帮助我们提取真实的信道参数，为后续的 5G 信道建模和标准化提供重要的参考。信道测量是一种自定义收发的无线测量，测量对象不是通信设备，而是通信设备工作的无线环境。从 4G 到 5G 的信道测量不同之处主要体现在带宽、频段等方面，对测量仪器有较高的要求。传统的移动通信频段都是在 6GHz 以下，在这个频段积累了大量的信道模型研究结果。但是对于毫米波频段的信道传播特性研究相对较少，因此对毫米波频段的信道进行评估和探测是 5G 技术研究的关键，尤其是在大带宽情况下，对信道测量的方法提出了更新的要求。信道测量分频域法和时域法两种，其中频域方法的优点是使用毫米波网络分析仪单表就可以测量各种频段完整的信道响应特性，不受信道带宽的限制。但是也存在着只能测试时不变多径信道，以及外场测试受限于收发同台仪表等缺点；时域信道测量是信道冲击响应直接测量的方法，通常使用伪随机序列作为信道探测的信号，在接收端用已知的序列做相关，得到信道冲击响应。这种测量方法需要系统硬件能够产生和分析超宽带的探测信号，业界已具备单表 2GHz 带宽的信号产生和 8GHz 带宽的信号分析能力，可以让提取的信道多径时延有着较佳的时延分辨率。美国是德科技（Keysight Technologies），德国 R&S 公司等均提出了覆盖毫米波频段，超大带宽的信道测量方案。国内外诸多研究机构在信道测量方面开展了大量工作，为 5G 标准的制定提供了依据。3GPP 在 TR 38.901 中给出了 0.5100GHz 的典型信道模型，为毫米波系统设计和性能测试提供了参考依据。毫米波 MIMO 信道模拟MIMO 信道模拟器使得研发人员能够在实验室内模拟各种典型的无线信道环境，灵活地控制和改变信道参数，尽早定位性能问题，大大降低了测试成本，显著提高了测试效率。目前，是德科技和思博伦公司的信道模拟器，可支持 Massive MIMO 和百兆带宽的测试需求，但工作频率不超过 6GHz，不能直接满足 5G 毫米波的测试需求，需要加入额外的毫米波扩展件。在国家科技重大专项（03 专项）支持下，国内创远仪器联合东南大学、信通院等单位，研制了支持 FR1 和 FR2 频段的 5G 大规模 MIMO 信道模拟器。5G 毫米波设备的射频指标测试射频指标测试对象包括基站设备、终端设备以及芯片、相关模块。其主要针对的是设备诸如辐射功率、调制信号质量等相关指标的测试。随着 5G 商用进程的加快，针对 FR1 频段的射频性能测试，各推进组织、运营商已组织相关各方进行了充分的讨论，已趋于共识。3GPPTS 38.101-1,TS 38.521-1 分别给出了 FR1 频段的终端射频指标定义与相关指标一致性测试的标准。相比较而言，针对 5G 毫米波频段的测试方法研究仍在火热进行中，经过行业内相关高校、研究机构、企业等的研究与推动，在各自的方向上取得了一定进展，相关测试指标与方法也逐渐清晰。3GPP TS 38.101-2，TS 38.521-2 分别给出了 FR2 频段终端射频指标定义与相关射频指标一致性测试的标准；TS 38.141-2 列出了毫米波基站射频辐射指标一致性测试的规范和步骤；TR 38.810 研究了如何利用 OTA 的方法对 FR2 频段终端进行射频指标测试。在国内，工信部、中国通信标准化协会、信通院、运营商等也正在推进 5G 毫米波技术及测量方法的标准化进程。5G 毫米波设备的多天线性能测试5G 毫米波终端仍将采用多天线技术。多天线性能的测试反映了设备系统性能在不同信道环境下的表现。相较于射频测试，多天线性能测试对仪器和场地的需求更加复杂，测试的评判标准和方法较难形成统一，因此其标准化工作相对较为滞后。在 3GPP 的 R16 版本中创建了相关的研究报告TR 38.827，其毫米波频段的部分指标限值仍在 R17 版本中研究。不过可以看出，采用多探头方法进行毫米波频段设备多天线性能测试可能将成为主流路线。同时，原来终端和基站设备采用的上下行性能独立测试将逐渐演变到基站终端共同测试，即所谓的“端到端”测试。3GPP 测试标准进展对于基站设备，3GPP 早在 Rel-11 就针对使用传导的方法测试有源天线阵列（AAS）的挑战进行了分析，并决定针对 AAS 的 OTA 测试方法进行研究。经过多年的探索，工业界对于使用 OTA 方法测试 AAS 指标的挑战有了深入的认识，针对毫米波基站 OTA 测试方法，3GPP 完成了 Rel-15 和 Rel-16 标准制定工作，当前正针对测试方法开展进一步的增强研究。对于终端设备，3GPP 首先在 Rel-15 完成了毫米波终端测试方法的研究，该研究针对毫米波终端的射频、无线资源管理、以及解调的测试验证提出了解决方案，测量的方法包括了直接远场、紧缩场、近场转换远场等。为了评估毫米波 MIMO 性能，3GPP 在 Rel-16 对毫米波 MIMO OTA 测试方法开展了研究工作，针对静态测试环境，完成了场景定义、信道建模、测试方法的标准制定工作。5G/6G 毫米波测试技术白皮书6随后，3GPP 在 Rel-17 针对毫米测试中的无法支持较高下行或较低上行信号功率的测试例，以及测试时间过长、测试仪表与被测终端极化方向不匹配、无法支持如 FR2+FR2 Inter-band载波聚合测试、无法支持极端测试条件测试等问题，对测试方法进行了进一步增强。目前，3GPP 正在讨论 Rel-18 毫米波测试相关的立项，候选项目包括了动态 OTA 测试方法，下行 4 流测试方法，以及针对固定无线接入（FWA）设备的测试方法等。其中，毫米波动态 OTA 测试是研究动态环境下毫米波终端性能测试方法。由于目前的毫米波测试方法都是基于静态的测试环境，即终端在测试过程中位置固定、测试开始前会预留足够的波束调整等待时间，因此无法有效验证毫米波终端的波束管理性能。而动态 OTA 测试方法可以在信号来波方向、信道条件等快速变化环境中评估毫米波终端波束管理性能，为毫米波的商用部署提供有效验证手段。2.5G/6G 毫米波测试系统5G/6G 毫米波测试基于 OTA 的测试形态，测试系统主要包括微波毫米波暗室、测试仪器、相关配件以及主控单元。2.1微波毫米波暗室测试环境微波毫米波暗室是一个空间结构，它可以是一个建筑空间，也可以是一个箱体。如图 1所示，暗室的内部表面布满吸波材料，可以有效吸收被测频段的电磁波。暗室内部通常包含转台、天线探头等。图 1 微波毫米波暗室天线的辐射根据辐射区远近可以分为感应场区(菲涅尔区)、近场区和远场区(夫琅禾费区)，如图 2 所示。图 2 天线辐射场区分布2.1.1远场暗室在辐射远场区，天线方向图随距离的变化较小，场强较为稳定，所以在一般的天线方向图测量中，都采用远场和暗室结合的方法。美国无线通信和互联网协会（CTIA）规范提到了三种天线远场的公式定义1，分别为：相位不确定度限值 2D2/；幅度不确定度限值 3D；反应近场限值 3。以上定义中，D 代表天线口径面，表示被测天线频率对应波长。5G/6G 毫米波测试技术白皮书8在远场暗室测量中，发射喇叭与待测件置于满足远场条件的金属屏蔽体房间内，墙壁四周布满吸波材料。当电磁波入射到墙面、天棚、地面时，绝大部分电磁波被吸收，透射和反射极少。这样就提供了一种人为的空旷的“自由空间”条件，在暗室内制造出一个纯净的电磁环境，以方便排除外界电磁干扰。在暗室内做雷达、天线等无线通信设备产品测试可以免受外界的电磁环境干扰，提高测试设备的测试精度和效率。远场测试作为一种准确评估辐射体性能的测试方法，已广泛应用于天线方向图的测试、大型散射体雷达散射截面（Radar Cross-Section，RCS）测试、基站性能测试等无线产品辐射性能测试中，如图 3 所示。远场暗室能较准确地测量设备的辐射特性，但是也存在场地需求较大、造价昂贵、路径损耗大等缺点。图 3 远场暗室示意图2.1.2近场暗室随着待测天线口径的增大，远场测试距离增加，对暗室要求相应提高，近场测量可以克服场地建设的限制，较准确地得到天线的辐射信息。近场测量的原理为：用一个已知特性的探头，在天线辐射近场区域内采集天线近场的幅度和相位信息，再利用近场远场变换理论，计算得到天线的远区场特性。相较于远场测试，近场测试不受远场测试中的距离效应和外界环境的影响，具有测试精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列优点，而且通过合适的软件及成熟的校准理论，有效的补偿各种测量误差，其测量精度甚至可能优于远场测量，也是当前高性能天线测量的主要方法之一。图 4 为近场暗室，近场测试一般需要精确测量包围被测设备三维表面上的相位和幅度，然后通过近场-远场数学变换，从而得到天线远场方向图。此方法常常被用来测量口径较大的天线设备，例如雷达、大规模 MIMO 基站等。近场测试的主要手段为近场扫描法，根据扫描方式的不同分为平面近场扫描法（PNF），柱面近场扫描法（CNF），和球面近场扫描法（SNF）。其原理均是利用一个特性已知的探头，在离开待测天线几个波长(近场区)的某一表面进行扫描，测量天线在该表面各离散点上辐射场的幅度和相位分布，然后基于严格的模式展开理论，确定天线的近场特性。最后，经近场远场变换理论，由计算机编程进行变换以及误差校准处理，近似得到待测天线远场特性。虽然近场扫描法比远场测试法在场地建设上有优势，但是近场测试也存在着一些问题。首先，近场远场变换理论要求同时已知近场幅度和相位信息，而近场扫描技术中相位信息测量难度较大，对机械系统、测量间距、取样点数、滤波等需要计算机仿真优化，以尽可能的减小测量误差。其次，近场远场变换理论现在还主要在单音信号变换中较成熟，对于调制信号如何测量还有待研究。最后，对于大型被测系统，近场测量可能无法施行。图 4 近场暗室5G/6G 毫米波测试技术白皮书102.1.3紧缩场暗室在大型散射体和大口径天线测试中，由于远场暗室场地需求较高，所以希望找到一种占地面积小、测量距离短的方法。紧缩场测量法就是针对这种需求产生的辐射体测量方法。其原理是采用一个精密的反射面，将喇叭天线产生的球面波在短距离内变换为平面波，从而满足测试要求，如图 5 所示。这种间接测试方法基于光学变换原理并且是互易的，也就是说设备的收发测试均可以通过这种方式进行。反射面的设计是紧缩场测量方法的关键，同时要采取合适的手段将边角的绕射效应降到最低。相较于远场测试，紧缩场测试大大缩短了远场测试距离，为大型散射体的测试带来了便利。采用紧缩场测试还可以减小路径损耗，从而相较于直接远场法获得更大的动态范围。但精密反射面的造价十分昂贵，对加工和建设相对要求高。图 5 紧缩场暗室示意图2.25G 毫米波测试仪器3GPP 5G NR 毫米波频段（FR2）包括 24.25GHz52.6GHz，工作带宽 400MHz，三载波聚合带宽将达到 3400 MHz=1200 MHz。5G 毫米波测试仪器的工作频率及测量带宽必须满足以上要求。移动通信常用的测量仪器包括矢量信号源、矢量信号分析仪、矢量网络分析仪、终端综测仪（完善）、基站综测仪、终端模拟器、信道模拟器（完善）等。（1）信号源与信号分析仪在 5G 毫米波设备的研发测试、射频一致性测试等各个环节，信号源和信号分析仪都是必不可少的基础测量仪器。对其最高频率要求不低于 52.6 GHz，带宽不低于 1.2 GHz。目前业界信号源和分析仪单表最大能力已支持 2 GHz 带宽的信号产生和分析，同时频谱仪单机频率更可达 90 GHz，满足 3GPP TS 38.141 规范中杂散测量最高频率覆盖载频二次谐波频率的测试要求。另外，对于研发工程师来说，短时偶发杂散的问题定位总是尤为麻烦，随着毫米波大带宽引入移动通信，迫切需要能与之带宽相匹配的实时频谱分析仪。目前业界最大实时能力已达 800 MHz，截获概率 0.46us，很大程度上提升工程师在处理该类问题上的定位效率。（2）矢量网络分析仪矢量网络分析仪是一个连续波扫描信号的自发自收测试系统，具有自校准功能，测量精度高。矢网广泛应用于利用连续波信号进行测量的场景，从微波网络的角度，它是利用连续波测量网络 S 参数的仪器。在 5G OTA 测试中，可用来进行方向图测试、EIRP 和 TRP 测试。（3）终端综测仪终端综测仪是 5G 芯片和终端研发、生产过程中的重要测量仪器。终端综测仪是一个收发一体的仪器，依据 3GPP TS 38.521-1 和 3GPP TS 38.521-2 测试标准模拟基站发送 PBCH、PDCCH、PDSCH 下行信号；对上行 PRACH、PUCCH、PUSCH 信号进行时域、频域、调制域等多域分析；通过信令方式调整终端测试状态，完成标准要求的测量配置。目前，外置毫米波变频模块是毫米波终端综测仪的主流解决方案，满足频率覆盖 24.24GHz31.8GHz 和37GHz43.52GHz、分析带宽 800MHz/1200MHz 的要求。（4）终端模拟器终端模拟器是 5G 基站研发、生产过程中必不可少的测试仪器。终端模拟器能够模拟终端侧物理层、高层协议，对基站进行协议符合性、功能、性能测试，对基站研发、生产过程进行问题分析、定位。终端模拟器能够支持毫米波频段、400MHz/800MHz 大带宽、60kHz/120kHz/240kHz 子载波间隔、多天线、多用户模拟，支持 DC 和 CA 两种协同方式。（5）基站综测仪基站综测仪是收发一体化仪表，可以发射上行信号，解调下行信号，支持 3GPP TS 38.141规定的全部测试例，满足 NR FR2 频段的频率和信号子载波间隔要求，是 5G 基站研发、生产过程中的重要测试仪器。基站综测仪通过馈线与天线连接，实现对基站设备发射信号的 EVM、ACLR、OBW、POWER 以及基站接收灵敏度、阻塞特性和互调特性等功能测量，满足毫米波基站设备的测试要求。（6）信道模拟器5G/6G 毫米波测试技术白皮书12信道模拟器是一种在实验室条件下模拟无线信道特性的仪器，能提供城市微场景、城市宏场景、室内场景、回程场景、D2D 场景、V2V 场景和体育场场景等 5G 信道模型，在 5G OTA测试中扮演着重要的角色。信道模拟器可以加载被测天线方向图数据，是“两步法”测试系统的关键设备之一。在多探头测试中，信道模拟器一端通过馈线与天线探头连接，另一端与终端综测仪、终端模拟器、信号分析仪等测试仪器连接，实际上实现了 OTA 测试“适配器”的功能。加上其自身具备的衰减、衰落、多径、多普勒等模拟功能，信道模拟器与天线探头、暗室环境共同构成了一个功能丰富的、灵活的测试系统。3.5G 毫米波设备的特点3.1毫米波基站设备的特点5G 毫米波 Massive MIMO 基站设备采用多通道混合多波束方案，在基站侧可以进行波束合成，实现波束扫描和多波束发射。一个典型的毫米波基站设备应由核心网、基带处理单元（BBU）与有源天线单元（AAU）组成，如图 6 所示。图 6 5G 毫米波基站设备组成相较于 sub-6G 基站系统，5G 毫米波基站设备有自己的新特点，主要可以总结为以下几点：天线与射频通道集成。在 5G 毫米波基站中，为了减小损耗、方便众多数量天线的集成与安装，采用天线与射频通道直接集成的连接方式。这样，传统的系统传导测试方法已不再适用于 5G 毫米波基站设备中，OTA 测试技术成为主要的测试手段；采用多波束和波束合成技术。毫米波空间损耗大，采用波束合成技术提高了天线的增益，可用来弥补毫米波的空间传播损耗，增加了等效发射功率与接收信噪比，增强了链路的稳定性。另一方面，多波束技术的引入可以提高系统的吞吐量，提升系统的性能。但是，由于在不同波束指向下的系统性能不尽一致，在设备测试时，需要考虑到不同波束指向下的指标表现；天线与射频通道数目众多。5G毫米波基站采用Massive MIMO形式，且现阶段大部分RRU采用混合多波束形式，天线与射频通道数目众多，常见的通道数有 256、512 等；射频前端体积减小，集成度更高。相对于 sub-6G Massive MIMO 系统，毫米波波长更小，天线单元的尺寸更小，5G 毫米波 Massive MIMO 天线阵的体积大幅减小，这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 通道的收发链路，每条链路包括放大器、移相器、衰减器等射频器件，部分芯片还集成了本振源部分。无源器件部分，除了高性能的毫米波滤波器外，滤波天线因其兼具滤波和辐射功能，在 5G 毫米波设备中有广阔地应用前景；系统带宽大。毫米波有众多待开发的频谱，5G 毫米波基站因此系统带宽大，通道带宽将达到 400MHz 甚至更大，部分厂商的基站设备已经支持高达 800MHz、1200MHz 的载波聚合功能。根据香农定理，带宽的增大提高了系统的吞吐量，更能满足用户需求。但同时增加了基带信号处理的压力，也给测试设备的基带处理能力提出了挑战；基站覆盖范围缩减。由于毫米波空间损耗大，导致毫米波基站覆盖区域缩减。毫米波基站更适合用来做高容量热点区域的覆盖和替代光纤的无线回传；设备体积小，散热需求提升。相较于低频段的基站设备，毫米波基站设备的体积更小，并且毫米波器件的功耗相对较高，设备内部的电磁屏蔽与散热成为了十分突出的问题。需要采用更加高效、小体积的方案解决屏蔽和散射等问题。5G/6G 毫米波测试技术白皮书143.2毫米波终端设备的特点针对终端架构，5G 终端将同时支持毫米波和低频（sub-6GHz）频段，如图 7。在终端内部，基带调制解调器分别与毫米波和 sub-6GHz 的射频集成电路相连接，接收和发送相应的信号，同时支持 2/3/4/5G 多模基带和射频。在此基础上，5G 终端将支持在毫米波频段和低频（sub-6GHz）频段间切换，切换可以基于终端对数据传输速率的需求和当前信道状态等信息。由于毫米波器件的功耗相对较高，合理地设计切换机制有助于降低终端功耗、提高续航时间。基带芯片实现协议栈处理、物理层调度、基带信号处理等功能，其中物理层加速器采用全 ASIC并行处理架构方案，解决毫米波 5G 高吞吐量需求。毫米波射频芯片的设计目标为低功耗、低成本、小尺寸。射频芯片实现模拟/数字转换、中频信号处理、模拟域波束收发等功能。封装集成天线阵列（AiP）可进一步节约面积，实现小型化。毫米波终端射频设计与传统的 4G 频段完全不同，多个因素导致了 5G 毫米波终端将天线阵列和射频前端集成，确保了性能的同时还可以保证易用性。在高频的设计方法、天线元件增多、最小化信号路径衰减、以及降低成本的共同驱动下，毫米波终端的集成水平不断提高。高集成度所导致的结果是，毫米波中终端的无线电分配网络电路和天线系统之间的传统射频连接器不再出现。因此，5G 毫米波设备的收发器系统将直接与天线阵列集成。如图 7所示，基带与集成了数字、收发器、功率放大器、低噪放大器、开关的天线模组直接相连。该架构可以同时支持多个天线模组以及天线切换。高集成化导致了 5G 毫米波终端没有接口或者测试点提供给传统的传导测试，所有的测试必须通过 OTA 测试的方式来实现。为了实现终端设备的 OTA 测试，如下因素需要考虑：根据 3GPP 的定义，5G 终端的 FR2 工作频率运行在 24.25GHz-52.6GHz 范围内，目前 3GPP定义了 n257、n258、n259、n260、n261、n262 等 6 个毫米波频段，均采用 TDD 的双工方式。图 7 5G 终端架构考虑到毫米波的传输特点，传输损耗比较大，覆盖范围有限。传输过程中直射传播占主要成分，容易被外界物体所阻碍，比如身体，手掌，墙面等，所以需要使用 Beamforming来提高增益。毫米波更加关注使用有源天线阵列基于 Beamforming 技术去改善覆盖的需求。另外，为了改善手握天线对于毫米波信号的衰减，5G 毫米波终端一般在终端上会布局多个不同的天线模组以减小手握对于信号的影响。如图 8 所示：图 8 终端上不同毫米波天线模组根据终端天线布局的设计，又可以将天线布局分为 3 个 Category，分别为 Category1 单个天线孔径，尺度为 5cm。Category2，多个不连续天线孔径，每个天线孔径在 5cm 左右。Category3 大天线孔径,天线孔径为 15cm 左右。4.OTA 射频测试4.1 测试内容射频测试主要用来评估毫米波设备诸如总发射功率（TRP）、等效全向辐射功率（EIRP）、误差矢量幅度（EVM）等的射频指标。在 5G 毫米波设备测试中，一般采用射频一致性测试进行设备射频指标的检测，即检验设备的射频指标是否符合 3GPP 的标准规范。由于毫米波终端的天线采用了 AiP 的封装形式等原因，无法进行毫米波的传导方式测试，所以对于绝大部分厂家而言，对于毫米波终端设备的评估都会基于 OTA 的方式来完成。3GPP 对于终端发射机和接收机的测试主要定义在 TS 38.521-2、TS 38.521-3 两个规范中23。其中 TX 测试定义了四种方法，包括 Direct far field，Direct far field simplification，Indirect farfield，Near field to far field transform 等四种方法。终端的发射机和接收机测试定义了 TRP，EIRP，EIS CDF 等各个测试项，具体测试项目如下表所示。5G/6G 毫米波测试技术白皮书16表 13GPP TS 38.521-2、TS 38.521-3 规范中终端发射机和接收机测试项目从 5G 开始，基站设备的测试也开始引起人们关注。根据 TS 38.141-2，毫米波基站一致性射频测试指标总结见表 2。对于这些射频指标的测试手段，其基本方法同毫米波终端的类似。在这些测试方法中，基于紧缩场的测试方法由于其测量距离较短、占地面积较小、静区面积相对较大，且其测试精度可以与远场结果相比拟，相对比较适合于毫米波基站或 AAS的测试。已有报道宣布采用紧缩场测试方法完成了 5G 毫米波基站射频项的测试。除了 3GPP 定义的测试项，在基站测试中，基于波束的射频指标测试项值得引起注意。表 2 基站一致性测试项指标项44.2 测试方法OTA 射频测试的方法主要有直接远场法、间接远场法、近场测试方法等。4.2.1 直接远场法（Direct Far Field,DFF）天线特性通常在远场测量。近场区和远场区由 Fraunhofer 距离 R=2D2/定义，其中 D 是最大辐射区域口径尺寸。远场测试在整机测试下对测试环境有较高要求。举个例子，一个尺寸为 5cm（Category 1）工作在 28GHz 的天线模块所需的远场测试距离为 0.47m。当一个尺寸为 15cm（Category 3）工作在 28GHz 的智能手机作为待测件时，远场测试距离为 4.2 m。图 9 是一种常见的终端直接远场测试方法。图 9 UE 的直接远场测量测量设置在 3.2 节中提到，终端天线布局可以分为 3 个 Category。根据天线布局，表 3 给出针对三种不同情况下的终端设备，推荐采取的测试手段。表 3 三种终端天线布局下推荐测试手段DUT categoryDirect Far Field(DFF)IndirectFarField(IFF)Antenna Configuration 1YesYesAntenna Configuration 2YesYesAntenna Configuration 3NoYes5G/6G 毫米波测试技术白皮书18换言之，针对类别 1 和类别 2，设备供应商或制造商需要提供天线的确切位置，以便于进行天线的整体性能测试和整机辐射性能测试，例如波束赋形的水平。实际上，天线的确切位置对于设计和调试而言同样十分关键。不过，对于类别 3 而言，关注更多的是设备的整机性能。在这种情况下，天线的位置可以不必确切知道，测试时整个设备将会作为“黑盒”处理，但测试静区要大于 15cm。不同频率不同天线口径下根据远场条件计算得到的远场距离和路径损耗在表 4 中给出。表 4 不同频率不同天线口径下的远场距离和路径损耗情况表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从表 4 中可以看到，在天线口径 D=5cm，频率 f=28GHz 时，远场距离为 47cm，路径损耗值为 54.8dB。随着天线口径的增加，远场距离迅速增加，这将增加远场暗室的尺寸和成本。同时，路径损耗也在相应增加。比如表中给出的在频率 f=100GHz、远场为 167cm 下的路径损耗为 76.9dB。远场距离的增加导致路径损耗的增加，这对测试系统的动态范围提出更高的要求。基于以上问题，针对小于传统远场暗室条件下的测试问题，已有相关研究5。4.2.2 间接远场法(Indirect Far Field,IDFF)间接远场的基本设想是在短距离内，在指定的静区范围采用物理方法建立远场条件。紧凑型天线测试范围（CATR）或紧缩场测试范围使用反射器将球面波转换成平面波，反之亦然。由于静区大小取决于反射器特性而不是远场测试距离，因此只要选择合适的反射面，就能够建立一个比远场更紧凑的测试环境。（1）紧凑型天线测试范围（CATR）通过抛物反射面的方法创造出远场条件的测试方式叫做紧凑型天线测试（CATR）或紧缩场测试。紧缩场测试方式如图10所示。为了在测试静区得到想要的平面波，紧缩场法通过反射器将球面波变换到平面波。这种间接测试方法是基于光学变换原理并且是互易的，也就是说设备的收发测试均可以通过这种方式进行。这种方法已经被 3GPP 采纳，作为有源天线系统（ActiveAntenna System,AAS）基站侧（Base Station,BS）的射频测量和 5G 终端射频测量的标准测试方法6。紧缩场解决方案可以针对 FR2 中的所有频段。图 10UE 端射频测量的紧缩场测试方案6这种测量方法的关键组成部分包括反射器、转台、测量探针天线和链路通信天线。反射面的设计是紧缩场测量方法的关键，要采取合适的手段将边角的绕射效应降到最低。两种常用的手段是：锯齿状边角设计和卷边边角设计。采用锯齿状边角设计的抛物面，使得电磁场在抛物面反射器和自由空间中平滑过渡，从而减小了抛物面的边缘绕射，绕射波也将CATRreflectorFeed antennaDUTRotation systemSignal Generator/Signal AnalyzerControl PC5G/6G 毫米波测试技术白皮书20远离测量静区。锯齿长度视最低频率而定，典型值为 5 倍于最低频率波长。卷边边角是将抛物面的边缘向后弯曲，这种结构上的光滑过度会降低抛物面反射器的边缘绕射。转台系统可以调整标准双极化天线与待测设备之间的角度。转台系统必须可以有两维的旋转自由度。在紧缩场测试系统中，转台和待测设备一样，是放在测试静区内。静区内的电磁场变化较小，其范围大小决定了可以测量的设备的最大尺寸。静区的大小是由抛物面反射器的大小决定的。馈源测试天线放在暗室的合适区域给抛物面反射器馈电。电磁波从馈源天线发出，经过反射面反射到测试静区，供给待测设备系统接收测试。相反，馈源接收待测设备系统发射，经过反射面反射的信号，完成发射测试。紧缩场间接远场测试的优点是可以缩短远场距离，减小了路径损耗，同时又能形成远场情况下的平面波条件。上文曾提到过，设备的动态范围是 OTA 测试的关键，尤其针对毫米波系统的测试。大的传输损耗将会给设备的动态范围提出更高要求和挑战，采用紧缩场测试可以减小路径损耗，从而相较于直接远场法获得更大的动态范围。（2）平面波变换测试方法（PWC）一维/二维PWC短距暗室测量方法如图11所示。它和紧缩场暗室测试方法十分类似。但不同的是，紧缩场暗室方法是通过馈源和反射面在测量静区形成的平面波，这里是采用特殊的一维探针天线产生平面波。这样的好处是既缩减了测试距离，同时又避免了紧缩场方案中抛物面反射器的设计难度。图 11 一维 PWC 短距暗室系统测试设备 EIRP 指标探针系统是采用一维/二维天线阵列，阵列一端连接到矢量网络分析仪。通过优化发射单元的幅度和相位，在接收端形成垂直极化的平面波测试静区。由于无需进行近/远场的二次变换过程，这种测试方法不需要待测设备全部的俯仰角和方位角的场值信息。4.2.3 近场（Near Field，NF）替代远场测试的另一种手段是采用近场测量，并通过近-远场数学变换（NF-FF）的方法将近场数据变换到远场。这样，对测试场地的需求将大幅减小，同时，采用近-远场变换仍能保证和远场直接测量准确度相当的测试结果。天线系统的辐射场区可以划分为三部分：感应场区、辐射近场区和辐射远场区,如图 12所示。同远场区相比，辐射近场区与远场区有相同的电磁场辐射模式，所以用近场测得的数据确定远场量是可行的。为了减小待测天线系统与测试探针天线之间的耦合，近场测量均是辐射近场区域进行而不是感应场区。近场测量需要对待测系统的闭合辐射面（球面、球柱面、立方柱面）进行幅度和相位的空间采样测量，为的是利用这些数据进行傅里叶变换。近场测量方式通常借助于矢