1、有源天線的介紹

1.1、一體化有源天線簡介

隨著移動寬帶網絡的發展，站點網絡數據容量要求快速增長。面對數據容量的增長，從網絡角度需求更多的站點、更多的通信頻譜和進一步提升頻譜效率新通信技術。而隨著2G、3G、4G網絡的發展，站點獲取越來越困難、站點空間利用也越來越受限，這使得現網擴容及新增頻段變得愈加難度，同時也使得網絡部署變得更加復雜，對新技術的兼容也變得困難。天饋系統面臨著一系列的問題和新需求:

1、高站點租用費用
2、網絡需要快速響應保障客戶體驗
3、多通道的復雜和高可靠性互聯要求
4、站點密集干擾加劇，需要精確的覆蓋設計

一體化有源天線（AAU）出現正與移動寬帶要求相符合。通過射頻模塊與天線的融合，不僅簡化站點部署，還減少了系統饋線損耗，使得網絡覆蓋性能得到10%以上的提升。通過與多頻天線的融合設計，一個AAU可以實現一個扇區的多頻段站點覆蓋要求，提升站點環境友好性，降低站點負荷；有利于降低部署時間和運營維護成本。一體化的AAU技術不但可滿足越漸苛刻的部署要求，而且在將來可承載更多天線陣列新技術和新特性。

如圖2所示的加密宏站天線，通過：1、多頻基站天線替代傳統單頻或雙頻天線；2、多頻基站天線與射頻模塊的一體化融合及美學設計，既可加強網絡覆蓋性能，同時與環境融為一體，美觀且便于部署。

圖1

圖2

1.2、Massive MIMO天線簡介

移動寬帶網絡的進一步發展，通信系統將面向4.5G、5G演進，通信系統從人與人、人與機器的連接，進一步擴展到機器與機器的連接，到萬物互連。實現一個全連接的數字世界需要通信系統能提供大數據、大流量的信息洪流的管道。

在4G網絡向4.5G演進中，提出要求讓用戶體驗從xMbp步入到xGbps的時代。支撐用戶極速體驗的關鍵技術包括Massive CA、Massive MIMO以及高階信號調制等技術。其中Massive MIMO天線是Massive MIMO技術實現的關鍵技術。

圖3給出了5G網絡的一種部署預期，低頻Massive MIMO天線用于廣覆蓋和深度覆蓋，作為基礎容量層，提供基本的用戶體驗速率。高頻Massive MIMO天線用于熱點地區、室內容量和無線回傳。高低頻混合組網，實現最佳頻譜利用。

圖3

Massive MIMO天線相對于傳統基站天線或者傳統一體化有源天線，其形態差異為陣列數量非常大、單元具備獨立收發能力。相當于更多天線單元（128根、256根或者更多）實現同時收發數據。

Massive MIMO天線相比于傳統一體化有源天線有如下特性：

· 多波束能力，可通過多用戶空分復用增益提升網絡容量（MU-MIMO）；
· 大陣列Beam forming，通過算法抑制用戶間干擾，大幅提升單用戶SINR；
· 3D-beamforming特性，實現多種場景的覆蓋要求；
· 多通道上行接收，可最大化提升上行接收增益。

Massive MIMO作為容量提升關鍵技術方法，可通過MU-MIMO和3D-beamforming實現頻譜效率5~8倍的提升；通過用戶級波束、上行MIMO收益以及高階調制技術極大提升用戶網絡體驗；通過3D-MIMO可解決弱覆蓋問題。

其應用場景可針對TDD高頻組網，應用于密集城區樓宇阻擋導致弱覆蓋場景；可以用于CBD區域站址緊張，現有宏小區的容量需大幅提升場景；還可用于高樓3D 覆蓋，解決站址及墻體傳輸損耗挑戰。

2、天線系統演進對測試的挑戰

2.1、一體化有源天線對測試的挑戰

傳統的天饋系統的天線與RRU是相互分離，接口為標準化的接口。其各自的性能可以通過獨立測試進行檢驗。而一體化有源天線是天線與RU的集成，其之間的連接非標準接口，通過分離式的方式無法整體反映有源天線的射頻指標性能和輻射性能。需要考慮一體化的測試方式，即部分傳導指標需要考慮空口測試。

而空口測試是基于場的方式進行測試，傳統天線測試是采用單音信號進行相應場的幅度和相位的測試，而對于一體化有源天線，其工作模式狀態下信號可能工作在不同制式，不同調制方式以及不同的帶寬。基于場的測試系統需要支持各種配置場景的業務信號的幅度、 相位測試。

對于一體化有源天線方向圖的測試，如何選擇方向圖的測試信號也是一體化測試面臨的新問題，需要研究分析及討論定義。

2.2、Massive MIMO天線對測試的挑戰

Massive MIMO天線系統其射頻部分與天線無法直接區分，無法進行拆卸進行傳導測試。且Massive MIMO天線存在大量的天線通道，采用傳統的傳導測試幾乎無法進行測試。因此，Massive MIMO形態的有源天線，其射頻指標需要通過空口（OTA）進行測試。該測試模式下，射頻指標均附帶了輻射方向性。如何對這些射頻指標空口性能進行定義，并通過什么方式進行測試均是Massive MIMO天線測試面臨巨大挑戰。 目前均未有清晰的技術途徑，3gpp標準上也在技術研討中。

同時，Massive MIMO天線大陣列形態，可實現扇區更密集劈裂（垂直、水平或二維面混合劈裂等）、同頻多波束覆蓋、3D-beamforming等特性。這些特性實現對天線波束賦型、干擾抑制以及指向精度要求相比傳統天饋系統要求更高。

圖 4

因此，在天線波束輻射特性趨于復雜場景下，其輻射性能測試面臨問題同樣復雜：

1、如何準確評估天線業務波束指向準確性、副瓣、波寬等；
2、如何選擇業務狀態下多波束輻射測試場景；
3、多波束天線的測試效率問題；
4、如何通過輻射特性評估覆蓋性能。

針對以上的測試需求建議通過以下研究分析和明確測試要求：

1、需要重新評估Massive MIMO天線指標要求；
2、研究分析覆蓋區域指標要求，定義3D輻射指標要求 ；
3、在真實業務信號下評估多波束輻射性能 。

此外，Massive MIMO天線能很好的解決高頻覆蓋問題，作為5G的擴展頻段，提供容量保障。其有幾個關鍵特征：超高頻、大帶寬、超大陣列。

這些關鍵特征也給測試提出新的述求：

· 高頻天線輻射指標的判斷容差如何要求，需要重新分析定義；
· 測試儀器、場地支持大口徑超高頻天線的測試，尤其是輻射特性的測試；
· 測試儀器需要支持超高頻、超寬帶信號的測試。

3、天線系統演進對測試指標和要求探討

從天線的發展趨勢看，射頻模塊與天線集成化是技術發展趨勢，并且演進趨勢為多通道的系統集成。因此，有源天線測試指標應該包含射頻指標以及天線相關輻射指標。

模塊RF指標在天線一體化之后，很多都需要重新分析和定義其測試要求。尤其是Massive MIMO天線，由于其多通道射頻架構、3D-beamforming特性以及多波束特性，其射頻指標的測試要求與容差、空口測試要求和方向圖測試要求均需要重新分析和定義。

有源天線的方向圖關鍵指標與射頻關鍵指標如下表所示：

從產品形態、測試準確性以及簡易性和標準定義來看，

一體化有源天線

建議輻射指標按一體化整機進行測試，其包括傳統天線輻射指標以及3gpp已經定義的EIRP和EIS指標；

射頻指標參照傳導測試方式進行測試。

Massive MIMO天線

輻射指標測試可參考一體化有源天線方式進行測試，天線輻射指標由于前述其波束的特點，可考慮部分指標通過三維進行定義，通過三維方向圖測試以準確描述波束特性。

射頻指標也通過空口測試，要求定義和測試方法待進一步研究。

4、總結

隨著網絡的持續演進，天線與射頻模塊將深度融合，Massive MIMO有源天線將是未來天線的發展主流。傳統的測試方式在對有源天線真實輻射性能和射頻指標進行測試將會面臨新的挑戰，一體化測試和空口測試（OTA）可能成為未來測試的演進方向；相比于傳統天線和射頻測試，面臨測試指標以及判斷體系，測試原理和方法、測試平臺等重大挑戰，需要進行深入的探索和研究。

參考文獻：

[1]  TS 37.105，“Technical Specification Group Radio Access Network; Active Antenna System (AAS) Base Station (BS) radio transmission and reception”，3GPP.
[2]  IMT-2020(5G)推進組-5G愿景與需求白皮書.

關于作者：

伍裕江，博士，高級工程師，華為技術有限公司天饋業務部首席專家，無線通信領域工作超過20年，主要研究方向包括天線設計、無線信道建模、天線陣列信號處理、電磁場數值方法等。