5G毫米波OTA系统不确定度评估.docx

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5G毫米波OTA系统不确定度评估

5G毫米波OTA系统不确定度评估

摘要：

5G毫米波频段有许多应用场景。

毫米波采用了波束赋形技术，需要基于天线阵列实现。

由于毫米波射频前端高度集成，一般不具备射频测试接口，几乎所有的测试项目需要在空口（Over-The-Air，OTA）环境下进行，因此一个可靠、稳定的测试环境是保证测试结果准确的必要条件。

然而，OTA系统是由暗室、射频线缆、转台等多个部分组成的复杂测量环境，每一个环节都可能引入相应的测量不确定度，并且传递到最终的测量结果上。

此外，毫米波测量具有频率高、损耗大的特点，相对低频更难保证测量系统的可靠性，因此对毫米波OTA系统不确定度的研究具有重要意义。

结合典型的5G毫米波OTA测量环境对系统不确定度进行阐述与分析。

关键词：

5G；毫米波；空口；不确定度

1　引言

5G定义了三大典型的应用场景，即增强的移动宽带（EnhancedMobileBroadband，EMBB）、海量机器类型通信（massiveMachineTypeCommunications，mMTC）和超高可靠低延时通信（Ultra-Reliable&LowLatencyCommunications，URLLC）。

为了增加小区容量，5G采用大规模天线阵列（MassiveMIMO）技术，利用MIMO（Multiple-in-Multiple-out）和波束赋形的技术。

此外，5G将工作频段分为FR1（FrequencyRange1）与FR2（FrequencyRange2），分别对应410MHz~7.125GHz与毫米波频段24.25GHz~52.6GHz[1-2]。

波束赋形技术在毫米波设备中得到了广泛的运用。

众所周知，波束赋形技术离不开天线阵列，毫米波设备的性能与天线阵列的性能密切相关。

然而，随着频率的升高，设备的射频前端和天线阵子高度集成化，用于测试的射频接口不复存在，由此测试需要在空口（Over-The-Air，OTA）环境下进行。

而且，不仅是阵列校准需要通过这种方式，整个发射机和接收机的性能测试都要通过OTA的方式进行[2-3]，这是测试挑战之一。

此外，毫米波测量具有频率高、损耗大的特点，相对低频更难保证测量系统的可靠性，因此对毫米波OTA系统不确定度的研究具有重要意义[4]。

文献[5]对天线测试系统的误差项进行了分析。

文献[6]认为OTA系统的误差项的分析既是测试重点也是测试难点。

值得一提的是，大部分OTA系统不确定度的研究主要集中在传统的低频段（FR1频段）[5-8]，对5G毫米波设备测试环境的系统不确定度的研究比较有限。

因此，本文结合了相关资料[4-9]，对5G毫米波OTA测试环境的不确定度进行了初步的研究。

2　测量不确定度

2.1　标准不确定度

测量不确定度是表征被测量量值分散性的参数[10]。

测量不确定度一般由若干分量组成。

不确定度的评定由A类与B类评定组成[11]。

在测量不确定度的A类评定中，对测量值用统计分析的方法进行评定，可用标准差表征。

标准差定义为：

对同一被测量进行n次测量，表征测量结果分散性的量，用符号s表示，可用贝塞尔公式计算[10]。

在公式

（1）中，xi为第i次测量的测量值；n为测量次数；x为n次测量所得一组测量值的算数平均值。

其标准不确定度UA为[12]：

在B类评定中，对于一些不确定度的分量可根据经验或者其他信息所获得的概率密度函数经行评定。

评定可以基于如权威机构发布的量值、校准证书、仪器的漂移、经检定的测量仪器的准确度等级以及根据人员推断的极限值等信息。

A类与B类的不确定度可以由UA与UB表示，则其合成标准不确定度UC为[10]：

 需要注意的是，UA与UB可以是由若干不确定度分量组成。

2.2　扩展不确定度

扩展不确定度是确定测量结果区间的量，是标准不确定度UC与包含因子k的乘积[11]。

扩展不确定度是测量结果的取值区间的半宽度，可期望该区间包含了被测量之值分布的大部分。

而测量结果的取值区间在被测量值概率分布中所包含的百分数，被称为该区间的置信概率p或置信水平（见表1）。

这时扩展不确定度用符号U表示，给出了区间能包含被测量的可能值的大部分（如95%或99%）。

表1　正态分布时概率分布与包含因子

2.3　常见的概率分布类型

A类不确定度可以用统计学的方法来评定；B类不确定度可以用概率分布与包含因子的方法来评估。

在射频测量中常见的不确定度分布如图1所示。

图1　从左到右分别为“U”型分布,矩形分布与正态分布

举例来说，失配引起的不确定度通常符合“U”型分布，其分布更加靠近不确定度的限值±a，其标准不确定度为a/2。

与系统相关的不确定度（如射频线损耗值），一般符合矩形分布，在不确定度的限值内，数值等概率出现。

其标准不确定度为a/3。

如果不确定度符合正态分布，其标准差可用于计算标准不确定度。

3　系统不确定度预算

OTA系统通常由微波暗室、转台、测量天线、测试仪表等多个部分组成。

测试系统框图如图2所示。

图2 OTA系统框图

在系统校准和测量的每一个环节都存在一定的不确定度，比如在摆放待测件时，摆放位置的不准确性会带来相应的不确定度。

OTA系统比较复杂，由许多设备、模块等部分组成；每一个部分的影响将传递至最终的测试结果。

因此，需要对每一个不确定项目进行分析。

表2给出了OTA系统在测量天线增益时的不确定度项目以及概率分布类型。

在表2中，矢量网络分析仪作为测量仪表。

下面就每个不确定度项目做详细阐述。

表2 增益不确定度表

（1）参考天线不确定度：

增益不确定度可以参考天线校准报告，并且此报告可以溯源至NIST。

（2）参考天线定向偏差：

测试时由于不理想的转动过程，使指定的测试方向与测量天线的波束峰值方向发生一定程度的错位所产生的不确定度。

不理想的转动过程可能是由于没有正确地摆放待测件在水平或是垂直面上的位置，或是由系统中转台或天线摇臂的精度限制所导致的。

（3）参考天线极化失配：

在校准时，参考天线与测量天线的主极化方向必须是对齐的，对齐的精度会引起相关的不确定度。

（4）静区纹波对参考天线的影响：

纹波是电磁波受到吸波材料、转台支架等暗室结构的反射而叠加作用到静区形成的。

纹波会叠加在测试结果上，因此需要考虑相应的不确定度。

（5）天线耦合效应：

即使在远场情况下，校准天线与测量天线也存在一定的耦合效应，耦合效应随着测试距离的增加而减弱，因此需要考虑由于相互耦合所引入的不确定度。

（6）测量设备及射频链路的不确定度：

校准过程中，考虑测量仪表（网络分析仪）、射频线缆、射频开关、放大器、旋转关节等射频链路的每一个部分带来的不确定度，并且计算总体的不确定度。

（7）参考天线测量可重复性：

测量仪表采用网络分析仪，对参考天线进行S参数传输系数的重复性测量。

这里的可重复性用A类不确定度的评定方式评估。

（8）待测天线测量可重复性：

测量仪表采用网络分析仪，对待测天线进行S参数传输系数的重复性测量。

这里的可重复性用A类不确定度的评定方式评估。

（9）测量设备及射频链路的不确定度：

测量过程中,考虑测量仪表（网络分析仪）、射频线缆、射频开关、放大器、旋转关节等射频链路的每一个部分带来的不确定度，并且计算总体的不确定度。

（10）待测天线射频端口失配：

由端口失配造成的测量不确定度。

（11）待测天线定向偏差：

测试时由于不理想的转动过程，使指定的测试方向与测量天线的波束峰值方向发生一定程度的错位所产生的不确定度。

不理想的转动过程可能是由于没有正确地摆放待测件在水平或是垂直面上的位置，或是由系统中转台或天线摇臂的精度限制所导致的。

（12）待测天线极化失配：

测量时，待测天线与测量天线的主极化方向必须是对齐的，对齐的精度会引起相关的不确定度。

（13）测试距离变化的影响：

测量时，待测天线与校准天线的参考面有一定偏差，使测试距离发生一定的变化所引起的不确定度。

（14）相位中心影响：

测量时，待测天线与校准天线的相位中心位置有一定偏差，使测试距离发生一定的变化所导致的不确定度。

（15）未知不确定度：

这与测量过程中无法量化与未知的不确定度有关。

需要注意的是，不确定度一共有15项，其中

（1）~（7）不确定度项与校准过程有关，（8）~（15）不确定度项与测量过程有关。

将上述每一项的标准不确定度表示为U1，U2，…，U15，那么合成标准不确定度为：

4　测试结果

本文中OTA系统不确定度评估在ATS1000[14]天线测试系统内进行。

系统主要由全电波暗室、3D高精度转台与天线摇臂系统、TCTA85CP双极化宽频测量天线构成。

测量天线的增益方向图由外部认证实验室标定。

系统采用矢量网络分析仪ZVA67作为测量仪表，进行射频参数的测量；参考天线采用SGH（StandardGainHorn）标准增益喇叭天线，其参数也由外部认证实验室标定。

测试环境如图3所示。

图3　毫米波OTA测试环境

暗室的外部尺寸非常紧凑，为0.9m×1.5m×2m（宽度×深度×高度），底部装有万向脚轮，使用者可以轻松地将暗室推到合适的位置，丰富了系统安置的灵活性。

转台采用分离轴的模式，转台与天线摇臂可以分别覆盖360°的方位角与165°的俯仰角范围。

角度分辨率达到0.03°，充分体现了分离轴精度高的特点。

待测件如参考天线或测量天线放置在转台上，测量天线固定在天线摇臂上，如图4（a）所示。

暗室顶部和侧方的激光定位器有助于精确控制待测件的摆放位置，分别如图4（b）与（c）所示。

图4　测试系统内部结构图

通过对不确定度项目的分析可以发现，至少有4项不确定度（如第2、3、11、12项）与转台和天线摇臂系统的定位准确度、待测件摆放位置准确度有关。

因此，暗室内的激光定位器必不可少，具体参见图4（b）、4（c）。

来自暗室顶部的激光源形成的十字交叉激光束朝转台中心位置投影，可以有效地帮助使用者判断天线的中心是否与转台的中心对齐，也有助于确认待测件的定向偏差，即转台转动时，指定的测试方向与测量天线的波束峰值方向是否有一定程度的错位。

另外，根据暗室顶部的激光源所形成的十字交叉激光束朝摇臂中心位置投影，使用者能够准确地将天线中心的高度与摇臂中心的高度对齐，即激光源、天线中心位置与转台中心三点一线。

因此，两个激光定位器帮助使用者在水平与垂直面上准确地放置待测件，使3D测量时待测件能够在球面采样的球中心，有效地减小相关的不确定度。

经过计算，上述系统的合成标准确定度Uc约为0.455dB，扩展不确定度U约为（扩展因子k=2时）0.910dB。

系统的不确定度与频率高低强相关，随着频率的增加而增加，这里的不确定度对应的测试频率为40GHz，是5G毫米波带内测试的较高频段。

在测量时，中频带宽为1kHz，适当地减小中频带宽可以改善射频链路的底噪水平，从而降低标准的不确定度。

5　结束语

5G新增的毫米波频段有着广阔的应用前景，相应的大规模MIMO与波束赋型技术能够有效提高通信系统的容量。

然而，5G的来临对测试系统提出了新的要求与挑战，OTA成为必不可少的测试与测量环境。

本文对OTA系统的重要指标之一，系统不确定度进行了细致的分析。

OTA系统的每个部分（如转台、测试设备、吸波材料等）都会对测试结果造成影响，在对每一项不确定度进行说明之后，本文以R&SATS1000天线测量系统为例，结合R&SZVA67矢量网络分析仪，给出了系统的扩展不确定度为0.910dB，对应的工作频率为40GHz，即5G毫米波带内测试的较高频段。

随着5G技术不断迭代演进，作为主要的测试环境，OTA系统也将发挥越来越重要的作用。

鉴于当前国内外对于毫米波测量系统的不确定度研究还比较有限，3GPP等国际化组织对相关参数的研究已经有了一定程度上的进展，但仍然有许多工作要做。

因此，本文对毫米波测量系统的相关研究有重要参考意义。