5G毫米波终端大规模天线技术及测试方案介绍

【摘要】本文首先介绍了全球毫米波频谱划分情况，然后通过对毫米波特性的分析，总结了毫米波终端将面临的技术挑战，着重介绍了终端侧大规模天线技术、毫米波射频前端技术的研究进展，并根据毫米波终端的特点分析了其测试方案。最后分析了国内毫米波终端可能的商用计划。
【关键词】毫米波终端，大规模天线技术，空中下载技术

李秀容

2019-7-18 10:29:23

1、引言
随着移动通信的迅猛发展，低频段频谱资源的开发已经非常成熟，剩余的低频段频谱资源已经不能满足5G时代10Gbps的峰值速率需求，因此未来5G系统需要在毫米波频段上寻找可用的频谱资源。作为5G关键技术之一的毫米波技术已成为目前标准组织及产业链各方研究和讨论的重点，毫米波将会给未来5G终端的实现带来诸多的技术挑战，同时毫米波终端的测试方案也将不同于目前的终端。本文将对毫米波频谱划分近况，毫米波终端技术实现挑战及测试方案进行介绍及分析。
2、毫米波频谱划分
2015年，ITU-R WP5D发布了IMT.ABOVE 6GHz的研究报告，详细研究了不同频段无线电波的衰减特性。在同年的世界无线电通信大会（WRC-15）上提出了多个5G候选的毫米波频段，最终5G毫米波频谱的确定将在WRC-19上的完成。经过多年的研究和讨论，各国各地区对毫米波频谱资源的划分都有所进展，以下将着重介绍中国、美国及欧洲在毫米波频段划分上的近况。
中国：2017年6月，工信部面向社会广泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波频段用于5G系统的意见，并将毫米波频段纳入5G试验的范围，意在推动5G毫米波的研究及毫米波产品的研发试验。
美国：早在2014年，FCC（美国联邦通讯委员会）就开启了5G毫米波频段的分配工作，2016年7月，确定将27.5-28.35 GHz、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作为授权频谱分配给5G，另外还为5G分配了64-71 GHz作为未授权频谱。
欧洲：2016年11月，RSPG（欧盟委员会无线频谱政策组）发布了欧盟5G频谱战略，确定将24.25-27.5 GHz作为欧洲5G 的先行频段，31.8-33.4 GHz 、40.5-43.5 GHz作为5G潜在频段。

刘欣

2019-7-18 10:29:33

3、毫米波终端技术实现
毫米波频段频率高、带宽大等特点将对未来5G终端的实现带来诸多挑战，毫米波对终端的影响主要在于天线及射频前端器件。
3.1 终端侧大规模天线阵列
由于天线尺寸的限制，在低频段大规模天线阵列只能在基站侧使用。但随着频率的上升，在毫米波段，单个天线的尺寸可缩短至毫米级别，在终端侧布置更多的天线成为可能。如下图1所示，目前大多数LTE终端只部署了两根天线，但未来5G毫米波终端的天线数可达到16根甚至更多，所有的天线将集成为一个毫米波天线模块。由于毫米波的自由空间路损更大，气衰、雨衰等特性都不如低频段，毫米波的覆盖将受到严重的影响。终端侧使用大规模天线阵列可获得更多的分集增益，提高毫米波终端的接收和发射性能，能够在一定程度弥补毫米波覆盖不足的缺点，终端侧大规模天线阵列将会是毫米波得以商用的关键因素之一。

图1：LTE终端与毫米波终端天线设想
终端部署更多的天线意味着终端设计难度的上升，与基站侧部署大规模天线阵列不同，终端侧的大规模天线阵列受终端尺寸、终端功耗的制约，其实现难度将大大增加，目前只能在固定终端上实现大规模天线阵列的布置。移动终端的大规模天线阵列设计面临诸多挑战，包括天线阵列校准，天线单元间的相互耦合以及功耗控制等。
3.2 毫米波射频前端器件
射频前端器件包括了功率放大器、开关、滤波器、双工器、低噪声放大器等，其中功率放大器是最为核心的器件，其性能直接决定了终端的通信距离、信号质量及待机时间。目前制造支持低频段的射频前端器件的材料多为砷化镓、CMOS和硅锗。但由于毫米波段与低频段差异较大，低频射频前端器件的制造材料在物理特性上将很难满足毫米波射频前端器件的要求。
以功率放大器为例，目前主流的功率放大器制造材料为砷化镓，但在毫米波频段，氮化镓及InP的制造工艺在性能指标上均要强于砷化镓。下表所示为从低频到毫米波段主要的射频前端器件制造工艺上的发展方向。

另外，毫米波频段大带宽的特点对射频前端器件的提出了更高的要求，未来毫米波终端的射频前端器件将可能需支持1GHz以上的连续带宽。
虽然氮化镓被认为是未来毫米波终端射频的主流制造工艺，但由于成本、产能等因素，基于氮化镓工艺的高性能射频前端器件多用于军工和基站等特殊场景。毫米波射频前端技术的发展将会成为毫米波终端实现的关键，预计到2020年之后，毫米波移动终端射频器件的技术和成本才可能达到大规模商用的要求。

韩宁

2019-7-18 10:29:41

4、毫米波终端测试方案分析
目前LTE终端的实验室测试主要使用传导连接，使用射频馈线将被测设备和测试仪表连接，这种测试方案对场地要求不高，受外界干扰较小。但随着毫米波终端侧的大规模天线阵列的使用，终端的无线收发器都将集成到天线形成天线模块，未来毫米波终端可能不会存在射频测试端口，而且高频率下进行耦合带来的高插损等因素使传统的传导连接测试的方案更不可行，因此OTA（Over The Air）测试将成为毫米波终端测试的主流方案。
OTA测试可直接测试设备的整体辐射性能，能够对设备的整机性能进行测试，能够更真实地反映设备的实际性能，但测试需要在微波暗室进行，对于测试的场地要求较为严格，测试费用昂贵。

图2：OTA测试的暗室
目前LTE OTA和MIMO OTA的研究已经较为深入，但毫米波的OTA研究还处于起步阶段，有关毫米波OTA测试的标准立项已经在CCSA开始讨论。下图3是LTE OTA测试系统的示意图，未来毫米波终端OTA测试的方案预计会参考LTE OTA测试的系统，但由于毫米波工作频率和主动天线阵技术等应用，未来毫米波OTA测试在技术上将进行一些改进。
OTA测试作为毫米波终端测试的必选方案，将面临以下挑战：
1）毫米波新型吸波材料。由于传统的软质海绵吸波材料在物理性能可电性能上存在缺陷，无法完全满足5G毫米波测量的要求。因此研究并开发更适合于毫米波暗室的吸波材料将会是毫米波OTA测试的关键。
2）OTA测试远场测量条件。OTA测试根据测试场类型可以分为近场和远场测试。通常对于天线辐射性能的测试，测试接收天线一般置于远场，此时电磁辐射属于平面波，场的相对角分布与离开天线的距离无关，大小与离开天线的距离成反比，天线方向图主瓣、副瓣和零值点已全部形成。而在近场接收天线可能会和发射天线会由于电容和电感的耦合作用互相干扰，造成错误的结果。远场的判定条件是被测件与测量天线间的距离要大于2D2/λ，其中D为测量天线的直径，λ为波长，由于毫米波段波长很短，因此天线远场的距离较大，以30GHz频段，测量天线直径为0.2m为例，远场的距离将达到80m，暗室难以达到如此大的尺寸，并且测试距离的增加还会增加被测终端到测量天线间的路径损耗，会进一步降低测试系统的灵敏性和准确性。为解决毫米波远场条件的问题，我们可以通过紧缩场法缩短测量距离，或者采用中区场测量的方式来代替远场测量。
紧缩场法：其通常采用一个抛物面金属反射板，将测量天线发送的球面波经反射面反射形成平面波，在一定远距离处形成一个良好的静区。将天线安置在静区内，测量天线的远场特性，其类似于远场测量，只是缩短测量距离，便于在理想远场环境（暗室）下进行测量。紧缩场天线测量系统能在较小的微波暗室里模拟远场的平面波电磁环境，利用常规的远场测试设备和方法对天线的辐射性能进行测试。
中区场法：中区场（菲涅尔区）的距离计算方式为0.63

，同样以30GHz频段，测量天线直径为0.2m为例，中区场的距离只有1.26m，普通的暗室尺寸也能满足需求，因此可以在系统层面上，研究新的中区场测量理论与场源重构方法，用中区场来代替远场进行OTA测试。

图3：LTE和毫米波测试系统示意图

4、毫米波终端测试方案分析
目前LTE终端的实验室测试主要使用传导连接，使用射频馈线将被测设备和测试仪表连接，这种测试方案对场地要求不高，受外界干扰较小。但随着毫米波终端侧的大规模天线阵列的使用，终端的无线收发器都将集成到天线形成天线模块，未来毫米波终端可能不会存在射频测试端口，而且高频率下进行耦合带来的高插损等因素使传统的传导连接测试的方案更不可行，因此OTA（Over The Air）测试将成为毫米波终端测试的主流方案。
OTA测试可直接测试设备的整体辐射性能，能够对设备的整机性能进行测试，能够更真实地反映设备的实际性能，但测试需要在微波暗室进行，对于测试的场地要求较为严格，测试费用昂贵。

图2：OTA测试的暗室
目前LTE OTA和MIMO OTA的研究已经较为深入，但毫米波的OTA研究还处于起步阶段，有关毫米波OTA测试的标准立项已经在CCSA开始讨论。下图3是LTE OTA测试系统的示意图，未来毫米波终端OTA测试的方案预计会参考LTE OTA测试的系统，但由于毫米波工作频率和主动天线阵技术等应用，未来毫米波OTA测试在技术上将进行一些改进。
OTA测试作为毫米波终端测试的必选方案，将面临以下挑战：
1）毫米波新型吸波材料。由于传统的软质海绵吸波材料在物理性能可电性能上存在缺陷，无法完全满足5G毫米波测量的要求。因此研究并开发更适合于毫米波暗室的吸波材料将会是毫米波OTA测试的关键。
2）OTA测试远场测量条件。OTA测试根据测试场类型可以分为近场和远场测试。通常对于天线辐射性能的测试，测试接收天线一般置于远场，此时电磁辐射属于平面波，场的相对角分布与离开天线的距离无关，大小与离开天线的距离成反比，天线方向图主瓣、副瓣和零值点已全部形成。而在近场接收天线可能会和发射天线会由于电容和电感的耦合作用互相干扰，造成错误的结果。远场的判定条件是被测件与测量天线间的距离要大于2D2/λ，其中D为测量天线的直径，λ为波长，由于毫米波段波长很短，因此天线远场的距离较大，以30GHz频段，测量天线直径为0.2m为例，远场的距离将达到80m，暗室难以达到如此大的尺寸，并且测试距离的增加还会增加被测终端到测量天线间的路径损耗，会进一步降低测试系统的灵敏性和准确性。为解决毫米波远场条件的问题，我们可以通过紧缩场法缩短测量距离，或者采用中区场测量的方式来代替远场测量。
紧缩场法：其通常采用一个抛物面金属反射板，将测量天线发送的球面波经反射面反射形成平面波，在一定远距离处形成一个良好的静区。将天线安置在静区内，测量天线的远场特性，其类似于远场测量，只是缩短测量距离，便于在理想远场环境（暗室）下进行测量。紧缩场天线测量系统能在较小的微波暗室里模拟远场的平面波电磁环境，利用常规的远场测试设备和方法对天线的辐射性能进行测试。
中区场法：中区场（菲涅尔区）的距离计算方式为0.63

，同样以30GHz频段，测量天线直径为0.2m为例，中区场的距离只有1.26m，普通的暗室尺寸也能满足需求，因此可以在系统层面上，研究新的中区场测量理论与场源重构方法，用中区场来代替远场进行OTA测试。

图3：LTE和毫米波测试系统示意图

冯栋

2019-7-18 10:29:48

5、国内毫米波终端商用计划分析
国内有关5G相关的研究和测试正如火如荼地进行，但是相比于欧美，我国在6GHz以下的低频段尚有较多可用的频谱资源，包括3.3-3.6 GHz，4.8-5 GHz以及部分重耕的频谱，因此我国对于毫米波的需求并不是很迫切。从产业链各方的路标来看，国内5G的首发频段应该为6GHz以下的低频段。
目前毫米波相关的研究尚处于起步阶段，5G毫米波频谱划分还需进一步确定。预计到2020年，才会有正式的5G毫米波终端出现。在5G商用的初期，主要会以6GHz以下低频基站为主，国内5G毫米波终端的大规模商用预计还需要较长的一段时间才能实现。
6、结束语
本文介绍了全球毫米波的划分情况，总结了毫米波终端在技术实现上将会遇到的挑战及困难，毫米波终端将布置更多的天线形成天线模块，同时在射频前端制造工艺上，高频特性更好的材料将被开发和应用。最后对毫米波终端OTA测试的情况及毫米波终端商用情况进行了分析。毫米波技术作为5G关键技术之一，必将在即将到来的5G时代得以重用，毫米波终端相关的研究和测试工作也将不断提速，为毫米波的商用奠定基础。

孙海燕

2019-7-18 10:29:53

参考文献
[1] ITU-R report M.[IMT.ABOVE 6GHZ], “Technical feasibility of IMT in bands above 6GHz,” Jun 2015.
[2] ITU-R M.2376-0,”Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHZ”; Jul 2015
[3] 工信部，“公开征求对第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段的意见” ，2017
[4] 黄海峰，欧盟5G频谱初定:竞争驱动,影响全球.通信世界，2016
[5] 魏军，5G通信技术推动物联网产业链发展.集成威廉希尔官方网站应用，2017
[6] IMT-2020(5G)推进组，5G无线技术试验进展及后续计划，2016
[7] CCSA YDT 1484.1-2016，无线终端空间射频辐射功率,和接收机性能测量方法第1部分：通用要求，2016
[8] CCSA YDT 2864.1-2015，终端MIMO天线性能要求和测量方法第1部分:LTE无线终端,2015
[9] 3GPP TR 38.900, Channel model for frequency spectrum above 6 GHz (Release 14), 2016
[10] CCSA TC9-WG1-#40, 5G毫米波OTA测量暗室作者简介：
詹文浩
硕士毕业于香港科技大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要研究方向为5G技术研究、终端新技术研究等。
戴国华
硕士毕业于华南理工大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要研究方向为移动通信应用开发、终端新技术研究等。

王雪

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李秀容

刘欣

韩宁

冯栋

孙海燕

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