CN112730998A - 基于近场的大规模阵列天线ota测试方法及系统 - Google Patents

基于近场的大规模阵列天线ota测试方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法及系统，该方法包括：大规模阵列天线阵面控制装置接收测试任务信息，配置待测大规模阵列天线于一系列指定频率及工作状态，产生相应待测波束；测试设备采集CW信号模式下的三维空间近场发射及接收特性信息，以及宽带业务信号模式下空间特定点位处的近场EIRP/EIS测试信息；计算设备基于近远场变换，得到CW信号模式下三维空间远场EIRP方向图及接收方向图；由CW信号模式下远场EIRP方向图及接收方向图，结合宽带业务信号模式下空间特定点位处的近场EIRP/EIS测试信息，得到宽带业务信号模式下三维空间远场全向EIRP/EIS测试信息。该方案提高了测试效率。

Description

基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法及系统
技术领域
本发明涉及天线测试技术领域，特别涉及一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法及系统。
背景技术
无线通信技术的快速发展，无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的迅猛增长。5G的研发及大规模商用，成为产业界关注的热点。
Massive MIMO大规模阵列天线及毫米波频段新频谱的引入是5G实现频谱效率及系统容量大幅度提升的关键技术。大规模天线阵列在现有多天线基础上通过增加天线数可支持多个独立的空间数据流，将数倍提升多用户系统的频谱效率。在毫米波频段，采用相控阵列天线的形式，通过波束赋形技术，提高天线增益以补偿该频段的高路损。上述新技术的引进将对未来5G终端及基站设备的测试认证带来极大的挑战。
目前对于传统的无源基站天线，业内普遍采用的测试方式为：利用近场测试系统完成无源天线方向图的测试，射频指标通过天线端口以传导的方式测试。相比于传统无源基站天线，5G时代大规模天线阵列系统基于大规模天线阵列与多通道射频模块深度融合的系统架构，天线与射频模块难以拆分，无法对天线辐射特性进行独立测试，因此，基站测试不得不打破原有方式，将天线指标及射频指标结合在一起，采用有源OTA测试方案。
目前业内对于一体化有源基站天线及3D-MIMO基站天线采用的测试方案为：基于球面近场完成天线方向图的测试，并结合远场(或紧缩场)单点EIRP(Effective IsotropicRadiated Power，等效全向辐射功率)及EIS(Effective Isotropic Sensitivity，等效全向接收灵敏度)测试结果，采用近远场结合的方式完成待测设备三维空间全向EIRP及EIS性能测量。为了满足5G多样化的应用场景需求，5G时代大规模天线阵列系统其波束辐射特性趋于复杂，天线辐射特性测试也需要从传统的一维单一波束形态测试演进至三维多种波束形态测试，对测试系统的测试精度及测试效率提出了极大的挑战。因此，该OTA性能测试方案的不足之处在于：需要用到两种测试场地，并且远场(紧缩场)建设规模巨大，暗室建设成本极高；单次扫描，仅能完成多个频点同一波束状态方向图测量，不同场地间待测设备需要两次安装，并且远场(紧缩场)EIS测试需要空间逐点测试，测试效率低下。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法及系统，解决了现有技术中无法满足5G时代大规模天线阵列系统的测试需求、测试效率低下的技术问题。
本发明实施例提供了一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法，该方法包括：
大规模阵列天线阵面控制装置接收预设的测试任务信息，所述预设的测试任务信息包括空间采样点分布、待测频点及收发波束指向状态信息；
配置测试设备及待测大规模阵列天线设备工作于CW信号模式，近场采样探头到达采样点位置后发送握手信号至大规模阵列天线阵面控制装置；
大规模阵列天线阵面控制装置响应握手信号，根据预设的测试任务信息配置近场采样探头和待测大规模阵列天线的待测工作状态，形成相应待测波束，其中待测工作状态包括收发状态、频点和波束指向；
近场采样探头遍历空间所有采样点，完成CW信号模式下三维空间所有采样点所有工作状态近场幅相信息采集，对于发射状态测试，待测大规模阵列天线发射相应待测波束，信息采集通过近场采样探头输出；对于接收状态测试，近场采样探头发射，信息采集通过待测大规模阵列天线波束成形网络输出；
计算设备通过近远场变换，得到CW信号模式下，待测大规模阵列天线全部工作状态下的三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图；
在一系列指定空间点位，对于每一工作状态，分别测试并记录CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度，CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度；
基于CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度、CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度、三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIRP/EIS方向图。
本发明实施例还提供了一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试系统，该系统包括：大规模阵列天线控制装置、测试设备、近场采样探头和计算设备；
所述大规模阵列天线控制装置、测试设备、近场采样探头和计算设备用于：实现上述所述的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
在本发明实施例中，单次扫描能够完成待测大规模阵列天线多个频点多个波束状态下的OTA性能测试，并采用宽带业务信号模式下近场EIRP/EIS测试结果与CW信号模式下三维空间辐射特性相结合的方式，能够精确高效地获得宽带业务信号模式下待测有源阵列天线远场功率测试性能，相比传统测试方法，本方法在保证测试精度的同时，具有极高的测试效率，能够满足5G时代大规模有源阵列天线多频点、多波束、宽带化的测试需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法完整流程图；
图3是本发明实施例提供的一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，提供了一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法，如图1和图2所示，该方法包括：
步骤101：大规模阵列天线控制装置接收预设的测试任务信息，所述预设的测试任务信息包括空间采样点分布、待测频点及收发波束指向状态信息。
该步骤中的信息是由测试人员于测试开始之前输入。收发波束状态信息指波束是用于发射还是接收。波束指向指的是波束最大辐射/接收方向信息。
步骤102：测试设备及待测大规模阵列天线设备工作于CW信号模式，近场采样探头到达采样点位置后发送握手信号至大规模阵列天线阵面控制装置。
其中，测试设备包括信号源、频谱仪等等，这些都是本技术领域人员经常使用到的用于测试5G的大规模阵列天线OTA测试所需要的设备。
步骤103：大规模阵列天线控制装置响应握手信号，根据预设的测试任务信息依次配置近场采样探头和待测大规模阵列天线的待测工作状态，形成待测波束，其中待测工作状态包括收发状态、频点和波束指向。
其中，根据预设的测试任务信息依次配置近场采样探头和待测大规模阵列天线的待测工作状态，包括：
当波束状态信息表示波束发射状态时，配置待测大规模阵列天线的工作状态为发射状态，近场采样探头的工作状态为接收状态；
当波束状态信息表示波束接收状态时，配置待测大规模阵列天线的工作状态为接收状态，测试设备的工作状态为发射状态。
步骤104：近场采样探头遍历空间所有采样点，完成CW信号模式下三维空间所有采样点所有工作状态近场幅相信息采集，对于发射状态测试，待测大规模阵列天线发射相应待测波束，信息采集通过近场采样探头输出；对于接收状态测试，近场采样探头发射，信息采集通过待测大规模阵列天线波束成形网络输出；
其中，该信息按照指定格式存储，以期用于后续计算；
近场采样探头在完成一个空间采样点处所有工作状态(收发/频点/波束指向)近场幅相信息采集之后，移至下一采样点，重复步骤103和步骤104，完成所有采样点信息采集。
步骤105：计算设备通过近远场变换，得到CW信号模式下，待测大规模阵列天线全部工作状态(收发/频点/波束指向)下的三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图；
步骤106：在一系列指定空间点位，对于每一工作状态，分别测试并记录CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度，CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度。具体的，所述指定空间点位按照相应状态下的待测波束的峰值选定。或，所述指定空间点位按照相应状态下的多个待测波束的峰值选定。
步骤107：基于CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度、CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度、三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIRP/EIS方向图。
具体的，步骤107可以包括：
计算宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度TPD_M和CW模式下的近场辐射功率密度TPD_CW的差值；
计算宽带业务信号模式下近场灵敏度功率密度SPD_M和CW模式下近场灵敏度功率密度SPD_CW的差值；
计算设备计算每一工作状态下所有指定空间点位的TPD_M和TPD_CW的差值的平均值作为该工作状态的EIRP补偿值，与CW模式下相应三维空间远场EIRP_CW方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备远场全向EIRP方向图；计算每一工作状态下所有指定空间点位的SPD_M和SPD_CW的差值的平均值作为该工作状态的EIS补偿值，与CW模式下相应远场接收特性方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIS方向图。
具体的，步骤107可以包括：
计算宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度TPD_M和CW模式下的近场辐射功率密度TPD_CW的差值；
计算宽带业务信号模式下近场灵敏度功率密度SPD_M和CW模式下近场灵敏度功率密度SPD_CW的差值；
计算设备计算每一工作状态下所有指定空间点位的TPD_M和TPD_CW的差值的加权平均值作为该工作状态的EIRP补偿值，与CW模式下相应三维空间远场EIRP_CW方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备远场全向EIRP方向图；计算每一工作状态下所有指定空间点位的SPD_M和SPD_CW的差值的加权平均值作为该工作状态的EIS补偿值，与CW模式下相应远场接收特性方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIS方向图。
具体的，上述提到的差值以指定格式存储。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试系统，如图3所示，包括：大规模阵列天线控制装置、测试设备、近场采样探头和计算设备；
所述大规模阵列天线控制装置、测试设备、近场采样探头和计算设备用于：实现上述所述的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
综上所述，本发明提出的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法及系统具有如下优点：
(1)多状态并行测试方法；不同于传统的基站设备OTA测试方法，本发明中提出的测试方法，单次扫描即能够完成待测设备多个频点多个波束状态的OTA性能测试(远场全向EIRP及EIS)，大大提高了测试效率；
(2)基于近场的测试方案：不同于目前业内普遍采用的近远场(紧缩场)相结合的测试方案，本发明提出的测试方法，基于近场完成宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线系统远场全向EIRP及EIS性能测试，大大降低了暗室建设成本，提高了测试效率；
(3)基于多点补偿的远场全向EIRP性能测试方法：在每一测试状态下，首先基于近远场变换，完成单频连续波(CW)信号模式下待测设备三维空间发射特性测试，并结合宽带业务信号模式下空间特定点位的近场辐射功率密度补偿值，快速得到宽带业务信号模式下待测大规模阵列天线远场全向EIRP性能；
(4)基于多点补偿的远场全向EIS性能测试方法：在每一测试状态下，首先基于近远场变换，完成单频连续波(CW)信号模式下待测设备三维空间接收特性测试，并结合宽带业务信号模式下空间特定点位的近场灵敏度功率密度补偿值，快速得到宽带业务信号模式下待测大规模阵列天线远场全向EIS性能；
(5)补偿值测试点位设计：优化设计不同测试状态下的补偿值测试点位，并减小同一点位同一待测状态下CW信号模式与宽带业务信号模式直接的测试时间间隔，减小测试不确定度；
(6)本方法适用于平面近场、柱面近场及球面近场测试系统，并能通过测试探头的更换，完成5G FR1及5G FR2(毫米波)频段大规模阵列天线系统OTA性能测试。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法，其特征在于，包括：
大规模阵列天线阵面控制装置接收预设的测试任务信息，所述预设的测试任务信息包括空间采样点分布、待测频点及收发波束指向状态信息；
配置测试设备及待测大规模阵列天线设备工作于CW信号模式，近场采样探头到达采样点位置后发送握手信号至大规模阵列天线阵面控制装置；
大规模阵列天线阵面控制装置响应握手信号，根据预设的测试任务信息配置近场采样探头和待测大规模阵列天线的待测工作状态，形成相应待测波束，其中待测工作状态包括收发状态、频点和波束指向；
近场采样探头遍历空间所有采样点，完成CW信号模式下三维空间所有采样点所有工作状态下的近场幅相信息采集，对于发射状态测试，待测大规模阵列天线发射相应待测波束，信息采集通过近场采样探头输出；对于接收状态测试，近场采样探头发射，信息采集通过待测大规模阵列天线波束成形网络输出；
计算设备通过近远场变换，得到CW信号模式下，待测大规模阵列天线全部工作状态下的三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图；
在一系列指定空间点位，对于每一工作状态，分别测试并记录CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度，CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度；
基于CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度、CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度、三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIRP/EIS方向图。
2.如权利要求1所述的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法，其特征在于，所述指定空间点位按照相应状态下的待测波束的峰值选定。
3.如权利要求1所述的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法，其特征在于，所述指定空间点位按照相应状态下的多个待测波束的峰值选定。
4.如权利要求1所述的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法，其特征在于，基于CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度、CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度、三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIRP/EIS方向图，包括：
计算宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度TPD_M和CW模式下的近场辐射功率密度TPD_CW的差值；
计算宽带业务信号模式下近场灵敏度功率密度SPD_M和CW模式下近场灵敏度功率密度SPD_CW的差值；
计算设备计算每一工作状态下所有指定空间点位的TPD_M和TPD_CW的差值的平均值作为该工作状态的EIRP补偿值，与CW模式下相应三维空间远场EIRP方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备远场全向EIRP方向图；计算每一工作状态下所有指定空间点位的SPD_M和SPD_CW的差值的平均值作为该工作状态的EIS补偿值，与CW模式下相应远场接收特性方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIS方向图。
5.如权利要求1所述的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法，其特征在于，基于CW模式下和宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度、CW模式下和宽带业务信号模式下的近场灵敏度功率密度、三维空间远场EIRP方向图及远场接收特性方向图，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIRP/EIS方向图，包括：
计算宽带业务信号模式下的近场辐射功率密度TPD_M和CW模式下的近场辐射功率密度TPD_CW的差值；
计算宽带业务信号模式下近场灵敏度功率密度SPD_M和CW模式下近场灵敏度功率密度SPD_CW的差值；
计算设备计算每一工作状态下所有指定空间点位的TPD_M和TPD_CW的差值的加权平均值作为该工作状态的EIRP补偿值，与CW模式下相应三维空间远场EIRP方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备远场全向EIRP方向图；计算每一工作状态下所有指定空间点位的SPD_M和SPD_CW的差值的加权平均值作为该工作状态的EIS补偿值，与CW模式下相应远场接收特性方向图相叠加，得到宽带业务信号场景下待测大规模阵列天线设备的远场全向EIS方向图。
6.一种基于近场的大规模阵列天线OTA测试系统，其特征在于，包括：大规模阵列天线控制装置、测试设备、近场采样探头和计算设备；
所述大规模阵列天线控制装置、测试设备、近场采样探头和计算设备用于：实现权利要求1至5任一项所述的基于近场的大规模阵列天线OTA测试方法。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5任一项所述方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至5任一项所述方法的计算机程序。
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