5G毫米波技术介绍

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技术 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。推荐阅读：

"本文介绍了空中OTA测试存在的挑战以及毫米波设备的相关测试方法，包括相控阵技术、毫米波波束赋形和波束控制。"

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，整体上依旧推进较为缓慢。

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。推荐阅读：

“5G 新空口（NR）、大规模多路输入多路输出（MIMO）、毫米波（mmWave）频率和空中接口（OTA）测试方法都提出了许多重大挑战。”

5G毫米波给测试技术带来的巨大挑战

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依旧存在巨大挑战，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。

1. 5G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 6 GHz 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 2 GHz 带宽的信号产生和 8 GHz 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0.5~100GHz 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技术商用进程的加快，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。3GPP TS 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。

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。

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。

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：

① 相位不确定度限值2D2/λ；

② 幅度不确定度限值3D；

③ 反应近场限值3λ。以上定义中，D 代表天线口径面，λ表示被测天线频率对应波长。

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。

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。

2.1.3 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。

2.2 5G毫米波测试仪器

3GPP 5G NR 毫米波频段（FR2）包括24.25GHz~52.6GHz，工作带宽400MHz，三载波聚合带宽将达到300 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24.24GHz~31.8GHz 和37GHz~43.52GHz、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

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。

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