馬夢露，趙德雙*，楊周明，梁 鋒，曹衛(wèi)平，王秉中

（1. 電子科技大學(xué)物理學(xué)院 成都 611731；2. 廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室 桂林 541004）

在實際生產(chǎn)中，由于制造公差、裝配誤差和射頻通道差異等原因，5G 相控陣的各個通道與理想狀態(tài)有明顯的幅相差異，這些差異如果不進(jìn)行精確的校對，嚴(yán)重時會引起相控陣的輻射效率下降、方向圖畸變從而影響5G 無線通信質(zhì)量[1]。因此，在投入使用前，對5G 相控陣天線的各個通道進(jìn)行精確的幅相校準(zhǔn)，是產(chǎn)品校測中一個必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

與傳統(tǒng)的相控陣天線不同，5G 相控陣的天線單元與射頻電路通道被有機(jī)地集成在一起，構(gòu)成一個完整的有源天線單元（active antenna unit, AAU）。在AAU 成型后，一般不宜將二者拆解用傳導(dǎo)方法進(jìn)行幅相校準(zhǔn)，因此，空口（over the air, OTA）校準(zhǔn)便成為當(dāng)前最主要的5G 相控陣校準(zhǔn)手段[2]。OTA 校準(zhǔn)是指，在待測陣的輻射區(qū)，用探頭天線采集AAU 的輻射場信息，在不需拆解射頻通道與天線的情況下，完成相控陣天線通道間的幅相校準(zhǔn)。OTA 校準(zhǔn)主要有遠(yuǎn)場、近場、緊縮場等幾種手段[3]。其中，近場OTA 校準(zhǔn)因為無需建造大型暗室，也無需特殊的平面波產(chǎn)生裝置，具有占地小、成本低、效率高等優(yōu)勢，因此，成為目前解決Sub-6 GHz 頻段內(nèi)5G 相控陣幅相校準(zhǔn)的一個主導(dǎo)技術(shù)。

從當(dāng)前研究來看，近場OTA 校準(zhǔn)主要以單探頭近場掃描為主，通過單個探頭在近場區(qū)掃描，獲取天線近場信息，然后基于平面波譜展開理論，將采集到的近場轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)場，進(jìn)一步反推至待測陣（device under test, DUT）的口徑場，通過近/遠(yuǎn)場變換、近場/口徑場變換完成陣列診斷[4]。為提高校準(zhǔn)精度與效率，文獻(xiàn)[5-7]對近場掃描法進(jìn)行了誤差分析和方法改進(jìn)，但其需求掃描采樣點多、校準(zhǔn)算法復(fù)雜且需要事先已知探頭天線信息等，導(dǎo)致校準(zhǔn)效率不高、速度比較慢。相比單探頭近場掃描法，近場換相法避免了探頭天線的掃描，在簡化校準(zhǔn)測量流程的同時，加快了校準(zhǔn)效率[8-10]。但是，由于忽略了陣元間耦合對幅相的影響，僅校準(zhǔn)了陣列的射頻通道誤差，因此，換相法的校準(zhǔn)精度相對不高。為了同時提高校準(zhǔn)效率和精度，學(xué)者們也研究了多種多探頭OTA 校準(zhǔn)法。其中等效源重建方法，可利用近場探頭陣列的測量數(shù)據(jù)，基于積分方程和格林函數(shù)構(gòu)建待測陣的等效源，從而獲得待測陣的遠(yuǎn)場方向圖[11]。該方法可避免探頭機(jī)械移動，能夠提高校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步簡化探頭陣列，文獻(xiàn)[12]針對平面待測陣，提出一種3 探頭天線校準(zhǔn)法，探頭天線位置固定，無需掃描。該方法同樣能夠?qū)崿F(xiàn)校準(zhǔn)效率的提升，但其對測試場地要求較高，需要足夠大的暗室箱體，以滿足幾乎接近遠(yuǎn)場的測量距離要求。另外，也有通過計算探頭與各個待測通道之間的理想接收功率替代實測，以減少對近場數(shù)據(jù)的實測采樣[13]。此方法使校準(zhǔn)效率得到一定提升，但是，對于大批量陣列而言，實際值與計算值間的誤差往往具有不可預(yù)測性，不太適用于批量化相控陣校準(zhǔn)。

為實現(xiàn)1.8～6.0 GHz 頻段內(nèi)小型5G 相控陣的大批量、快速、高效的幅相校準(zhǔn)，本文提出一種基于校準(zhǔn)陣的近場多探頭OTA 幅相校準(zhǔn)方法。本方法主要借鑒矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口校準(zhǔn)與測量思路，在進(jìn)行待測陣測試前，先用一個已計量好的校準(zhǔn)陣，放入多探頭OTA 校準(zhǔn)系統(tǒng)，對整個OTA 校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行自校準(zhǔn)，獲取基準(zhǔn)的校準(zhǔn)參數(shù)以及校準(zhǔn)陣近/遠(yuǎn)場之間的傳遞函數(shù)；然后，再將待測陣放入測試系統(tǒng)，利用待測陣的近場測量數(shù)據(jù)以及校準(zhǔn)陣的近/遠(yuǎn)場傳遞函數(shù)關(guān)系，對待測陣的各個通道進(jìn)行幅相校準(zhǔn)。在給出基于校準(zhǔn)陣的近場多探頭OTA 測試原理后，本文利用4×4 多探頭天線，研制出了一個測試系統(tǒng)，對方法進(jìn)行了實測驗證和誤差分析，證實了本方法的可行性、準(zhǔn)確性和高效性。

1 基于校準(zhǔn)陣的近場多探頭OTA 校準(zhǔn)原理

圖1 為二維近場多探頭OTA 校準(zhǔn)系統(tǒng)的探頭陣列和待測陣列的陣元排布側(cè)面示意圖，下方是待測相控陣，上方為多探頭二維平面陣列，二者的天線 單 元 一 一 對 應(yīng)，陣 面 間 距d=3λ（1.8 GHz）～9λ（6.0 GHz），λ 為相控陣工作時的信號波長。探頭為雙極化超寬帶Vivaldi 天線，全部安裝在上方的二維掃描架平臺上，探頭間距可程控調(diào)節(jié)，以方便對陣元不同排布的、不同型號5G 相控陣進(jìn)行幅相校準(zhǔn)。為防止外界干擾，所有測量均在高1.0 m、寬1.2 m、長1.5 m 的小型暗箱中進(jìn)行，待測陣則由暗箱底部的托臺通過側(cè)面箱門滑動送入。

圖1 二維多探頭OTA 校準(zhǔn)系統(tǒng)的一對一陣元排布側(cè)面示意圖

首先，將預(yù)先計量好的校準(zhǔn)陣放入天線托臺，用近場多探頭OTA 校準(zhǔn)系統(tǒng)對校準(zhǔn)陣進(jìn)行近場測量，實測得到校準(zhǔn)陣各通道的近場數(shù)據(jù)，并利用校準(zhǔn)陣在計量系統(tǒng)下測試得到的遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)，計算得到各通道的近/遠(yuǎn)場傳輸函數(shù)。校準(zhǔn)陣的功能非常類似于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的校準(zhǔn)件：一是用作待測陣的基準(zhǔn)參考；二是基于近遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)獲取校準(zhǔn)陣的近/遠(yuǎn)場線性傳遞函數(shù)；三是起到消除系統(tǒng)部分測量誤差的作用。此過程也可等同看成是系統(tǒng)的自校準(zhǔn)測量。

然后，對待測陣進(jìn)行近場測試，并結(jié)合校準(zhǔn)陣的近/遠(yuǎn)場傳遞函數(shù)，進(jìn)行近/遠(yuǎn)場變換，得到待測陣在遠(yuǎn)場的各通道幅相數(shù)據(jù)。

最后，從待測陣中選取參考通道，計算出各通道與參考通道之間的幅相差異，并對各通道的幅相差異進(jìn)行補(bǔ)償與校對，以完成待測陣各個通道的幅相校準(zhǔn)。校準(zhǔn)原理如下。

再對式（5）分別取幅值和相位，得到各通道之間的幅度差和相位差：

最后，利用上述測量計算得到的幅相差值，分別對各個通道進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)對整個待測陣的幅度和相位校準(zhǔn)，使其各通道實際與理想的初始相位相同和幅度一致。

2 校準(zhǔn)誤差分析

2.1 校準(zhǔn)誤差分析

對于測量系統(tǒng)而言，校準(zhǔn)誤差來源主要有兩類：系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。其中，隨機(jī)誤差是測量時由噪聲等引入的，通常通過多次平均測量能進(jìn)行有效抑制。

本方法利用線性近/遠(yuǎn)場傳遞函數(shù)建立起待測陣近場區(qū)信號與遠(yuǎn)場區(qū)信號的關(guān)系，如式（4）所示，其中待測陣近場區(qū)信號可由系統(tǒng)直接測量獲得，遠(yuǎn)場區(qū)信號為校準(zhǔn)目標(biāo)。理想情況下待測陣與校準(zhǔn)陣的各通道近/遠(yuǎn)場傳遞函數(shù)相同，因此本方法利用計量好的校準(zhǔn)陣獲取該函數(shù)。但由于校準(zhǔn)陣與待測陣在系統(tǒng)中實際測量時，兩者間的放置位置與陣元結(jié)構(gòu)均會存在微小偏差，因此通過校準(zhǔn)陣列獲取的與待測陣實際的近/遠(yuǎn)場傳遞函數(shù)存在差異，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。本文利用全波電磁仿真軟件，對影響該系統(tǒng)誤差的幾個可能的關(guān)鍵參量進(jìn)行了仿真分析。

2.2 誤差仿真分析

為了驗證本文提出校準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確性與可行性，需要研究幾個關(guān)鍵參數(shù)對校準(zhǔn)誤差的影響。因此本文分別對待測陣與校準(zhǔn)陣兩者間的放置位置偏差以及陣元結(jié)構(gòu)偏差兩個參量進(jìn)行仿真分析。校準(zhǔn)陣與變化前的待測陣結(jié)構(gòu)模型相同，如圖2a 所示，為4×4 平面微帶陣列，單元尺寸50 mm×38.4 mm，相鄰間距d=90 mm，工作頻率2.45 GHz，帶寬100 MHz，距離多探頭測量陣列300 mm。陣列各通道的近場信號幅相值，通過近場探針獲取，如圖2b所示。陣列各通道的遠(yuǎn)場幅相值，則利用遠(yuǎn)場方向圖獲取。

圖2 4×4 二維平面待測陣仿真模型

首先，研究了待測陣與校準(zhǔn)陣間在放置位置上的偏差對校準(zhǔn)誤差的影響。共設(shè)置了6 組參數(shù)，即保證校準(zhǔn)陣的狀態(tài)不變，將待測陣沿x軸整體偏移1 mm，2 mm，3 mm 和沿y軸整體偏移1 mm，2 mm，3 mm。校準(zhǔn)誤差根據(jù)式（8）進(jìn)行計算，結(jié)果如圖3 所示。幅度和相位校準(zhǔn)誤差分別在±0.2 dB以內(nèi)和±0.3°以內(nèi)。結(jié)果顯示，當(dāng)陣列水平偏移在3 mm 以內(nèi)，引起的校準(zhǔn)誤差相對較小。

圖3 待測陣與校準(zhǔn)陣間的位置差異對校準(zhǔn)誤差影響的仿真結(jié)果

其次，研究了待測陣與校準(zhǔn)陣天線間的陣元結(jié)構(gòu)差異對校準(zhǔn)誤差的影響。保證校準(zhǔn)陣狀態(tài)不變，共設(shè)定了3 種不同待測陣的結(jié)構(gòu)變化場景，如表1所列。表中左側(cè)為選取的結(jié)構(gòu)或位置變化的陣列單元編號，右側(cè)的參量Lgnd 為變化前待測陣的單元地板長度，Lgnd=55 mm，L為單元貼片長度，L=38.4 mm，W為單元貼片寬度，W=50 mm，如圖2a所示。通過仿真得到的校準(zhǔn)誤差結(jié)果如圖4 所示，幅度和相位校準(zhǔn)誤差分別在±0.4 dB 以內(nèi)和±4.5°以內(nèi)。相比陣列的整體位置偏移，陣元位置微變所引起的校準(zhǔn)誤差相對較大，但都在可接受的范圍內(nèi)，初步證實所提校準(zhǔn)方法的可行性和準(zhǔn)確性。

圖4 待測陣與校準(zhǔn)陣間的陣元結(jié)構(gòu)差異對校準(zhǔn)誤差影響的仿真結(jié)果

表1 待測陣的陣元結(jié)構(gòu)差異及位置偏移取值

3 實驗驗證

基于4×4 雙線極化超寬帶多探頭陣列，研制出一個基于校準(zhǔn)陣的近場OTA 幅相校準(zhǔn)測量系統(tǒng)，如圖5a 所示，對校準(zhǔn)方法的可行性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了進(jìn)一步的實驗驗證。

實測驗證中，設(shè)計并制作兩個陣列：待測陣與校準(zhǔn)陣。其中待測陣為4×4 空氣微帶相控陣，長600 mm，寬300 mm，如圖5b 所示；其陣元長53.5 mm、寬52.5 mm，工作中心頻率2.45 GHz，帶寬100 MHz。校準(zhǔn)陣是一個由遠(yuǎn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定過的同款空氣微帶陣列。待測陣的陣面距離探頭陣面470 mm （約3.84 個波長），如圖5c 所示。探頭為雙極化Vivaldi 天線，工作帶寬1.8～6.0 GHz、尺寸25 mm×25 mm×150 mm，如圖5d 所示。待測陣和探頭陣均放置于小暗箱中，暗箱高1 m、寬1.2 m、長1.5 m，暗箱底部為待測陣或參考陣放置平臺，暗箱頂部為4×4 多探頭近場測量陣，探頭陣列裝在2 維平面掃描架上，用以構(gòu)建不同陣列大小、不同陣元間距的探頭陣列，從而適應(yīng)不同類型5G 相控陣的幅相校準(zhǔn)。為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對待測陣進(jìn)行多次重復(fù)測量。

圖5 基于校準(zhǔn)陣的近場OTA 幅相校準(zhǔn)系統(tǒng)

圖6 待測陣各通道測試推導(dǎo)遠(yuǎn)場結(jié)果與真實遠(yuǎn)場結(jié)果對比

圖7 待測陣各通道的校準(zhǔn)誤差測試結(jié)果

4 結(jié) 束 語

本文提出了一種基于校準(zhǔn)陣的5G 相控陣近場多探頭OTA 的快速校準(zhǔn)方法。此方法通過多探頭陣列對校準(zhǔn)陣與待測陣進(jìn)行參照比對測量，不僅避免了探頭掃描移動、縮減了測試時間、提高了校準(zhǔn)測量效率，而且可將暗室高度壓縮到1.0 m，極大地縮減了暗箱尺寸，為測試產(chǎn)線安裝帶來極大的便利。仿真與實測驗證結(jié)果證實了方法的可行性、準(zhǔn)確性與測試結(jié)果的穩(wěn)定性，校準(zhǔn)誤差范圍均在±0.5 dB/±5°以內(nèi)，重復(fù)實驗校準(zhǔn)偏差均在0.2 dB/1.7°以內(nèi)，校準(zhǔn)精度基本接近遠(yuǎn)場幅相校準(zhǔn)精度。相比遠(yuǎn)場幅相校準(zhǔn)測量系統(tǒng)，基于校準(zhǔn)陣的近場多探頭OTA 校準(zhǔn)法具有校準(zhǔn)速度快、所需暗箱尺寸小等優(yōu)點，在Sub-6 GHz 頻段內(nèi)的5G 相控陣的快速大批量校準(zhǔn)應(yīng)用上展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。