5G平面波模拟器的研制与应用

摘要： 5G平面波模拟器是一种新型的空口测量系统，通过对系统中阵列天线各个天线单元进行合理的幅度相位激励，在近场距离合成准平面波。在准平面波环境中既可以进行传统的无源天线指标测量，又可以进行基站射频指标和系统性能指标测量。平面波模拟器系统能够有效压缩测量空间，从而大大节省测量系统成本，是空口测量取代传统传导测量的一种重要技术方案。从5G平面波模拟器的发展历程、设计方法及应用等几个方面进行了论述。

0 引言

移动通信技术在近40年的时间里取得了飞速的发展，如今进入到了5G时代^[1-5]。5G通信系统涵盖了一系列新的关键技术，其中包括：大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等^[6]。基站是构成移动通信网络的重要组成设备，5G基站天线采用了大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output，Massive MIMO)天线阵列，其天线单元数目相较4G基站有了明显的提高^[7-9]。与此同时，基站天线与后端射频组件的集成度也已经大大提高，部分5G基站天线已经不再提供测试端口，这些新的特点都促进了空口(Over the Air，OTA)测试技术的快速发展^[10-12]。

OTA测试不需要在被测基站天线上连接复杂的测试线缆，而只是以辐射的方式对基站天线整机进行测试。目前可用于5G基站天线OTA测试的传统测试场包括：室内远场、紧缩场(反射式)和多探头球面近场^[13]等。然而室内远场所需空间过大，紧缩场造价较为昂贵，多探头球面近场需要对测试数据进行近远场变换，无法对基站部分射频信号和业务信号进行直接测量^[10]。平面波模拟器是一种新型的可用于5G基站天线测量的OTA测试装置，其通过天线阵列和幅相调控网络在近场距离生成天线测试所需的准平面波环境，从而满足天线远场测试条件。平面波模拟器具有尺寸紧凑、造价适宜和可以使用远场测试方式对5G基站天线射频和业务信号进行直接测量的能力^[14-18]。

从1984年开始，已有众多研究人员对平面波模拟器进行了广泛的研究，美国国家标准局的HILL D A首先提出了在近场区域使用相控阵列合成平面波用于电磁敏感测试的理论^[19-20]。2002年，COURTNEY C C搭设了一个简易的平面波模拟器系统，测量过程采用了分时采样的方法^[21]。2003年，犹他州州立大学的HAUPT R使用遗传算法对一种均匀线阵平面波模拟器进行了仿真，所设计的静区平面波幅度波动小于2 dB，相位波动能够小于1°^[22]。2009年，意大利学者D′URSO M为了节约仿真时间，提出了平面波模拟器的稀疏布阵方法^[23]。2012年，北京航空航天大学王辉采用喇叭阵列天线的架构对平面波模拟器进行了仿真设计^[24-25]。2013年，BUCCI O M结合前人的研究结果，给出了平面波模拟器的一系列设计指南^[26]。而近年来，为了解决5G基站OTA测试面临的诸多挑战，一些研究人员开始将平面波模拟器作为一种5G OTA测试系统展开深入研究^[14-18]。

本文主要针对北京航空航天大学在5G平面波模拟器的设计方法、系统实现及典型应用方面的工作进行重点的介绍和论述。