5G将运用多天线技能，经过结合增强的空分复用为多个用户供给数据，称为大规模MIMO。一个定论是不能选用传导办法评价辐射方向图功用，因而必需经过OTA办法。本文介绍运用OTA测验设备丈量天线三维方向图的技能关键。
行将推出的5G规范在取得更低运营本钱(OPerational EXpenses, OPEX) 的一起保证更高的吞吐率、更多的容量和完结的灵活性。其他方针包含超牢靠低推迟通讯(ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC) 和大规模机器类型通讯(massive Machine Type Communications, mMTC)。软件界说网络(Software Defined Network, SDN) 和大规模MIMO 多天线场景很或许是完结这些方针的技能挑选。
为了取得更高的吞吐率有必要有更宽的带宽支撑，5G 体系将运用厘米波和毫米波规模的频率。这种计划的一个缺陷是自由空间途径损耗将更大。供给更高天线增益的天线阵列能够补偿自由空间途径损耗。与900MHz 比较，为了在28GHz 频率上坚持相同的接纳功率，意味着天线增益要添加30dB。运用许多天线单元并操控能量方向，称作波束赋形，能够完结这个方针。
波束赋形技能经过分配给每个用户设备(UE) 的信号只瞄准相应的单个用户设备，明显降低了能量消耗。而没有运用波束赋形的基站，未被UE 接纳的能量或许对相邻的多个UE 发生搅扰，或许被直接丢掉。
比如LTE 或WLAN 等的当时规范选用MIMO，经过空分复用取得较高容量。多用户MIMO 技能运用波束赋形，经过一起发送数据到不同的多个UE，扩展了MIMO。术语大规模MIMO 依据硬件装备和信道条件，以动态办法描绘波束赋形和多天线空间复用的组合。
图1：大规模MIMO：波束赋形和空分复用组合。
大规模MIMO面对的应战
尽管大规模MIMO具有许多长处，但也存在一些应战，包含：
1.前传接口衔接的高吞吐量
2.天线阵列校准
3.天线单元间的彼此耦合
4.不规则的天线阵列
5.天线阵列杂乱
大规模MIMO遭受的应战还来自怎么去表征信号，丈量天线阵列功率的要求不曾在传统运用电缆传导接口的场合呈现过。
有意义的表征只能运用OTA (Over-The-Air) 测验完结。首要因为：本钱、高频率下进行耦合带来的高插损等原因使得电缆测验办法不可行;以及大规模MIMO 体系将无线收发器集成到天线中，这导致失掉射频测验端口。这种形式改动的成果是什么?
3D OTA丈量
曩昔，将功率作为时刻、频谱或编码(CDMA 体系)的函数进行丈量。波束赋形的到来添加了另一个维度：空间或功率相关于脱离方向。图2 给出功率丈量示例。空中丈量参数能够分为两大类：研制、认证或一致性测验关于被测设备辐射特性的完好评价，以及出产中的校准、验证和功用测验。
图2：作为时刻、频率、编码和空间的函数的功率丈量。
天线规划者关怀的首要测验参数包含增益图、辐射功率、接纳机灵敏度、收发器/接纳器特征和波束操控/波束盯梢，其间任何每一项都会影响OTA丈量。可是，因为大规模MIMO 运用的频率，更为重视波束操控/波束盯梢。尽管现在的蜂窝技能运用静态波束图特征，毫米波体系将需求动态波束丈量，以便准确表征波束盯梢算法和波束操控算法。
出产测验
一致性和出产测验包含许多方面。
特别重要的有三方面：
• 天线/相对校准：为了完结准确波束赋形，射频信号途径间的相位差有必要小于 ±5°。能够运用相位相干接纳机履行该丈量，以便丈量一切天线单元间的相对差错。
• 5点波束测验：依据3GPP 要求，有源天线体系(Active Antenna System, AAS) 制造商要为每个宣称的波束规则波束方向、最大EIRP 和EIRP 门限值。除了最大EIRP 点外，在宣称的门限值鸿沟处丈量四个附加点，即，具有最大EIRP 的中心点，以及发布的左面、右边、顶部和底部鸿沟的其他4 个点，如图3 所示。
• 终究的功用测验：在出产环节彻底组装好的模块上履行，包含简略的辐射测验，5点波束测验和收发器联合功用测验，例如一切收发器翻开时的差错矢量起伏(EVM)丈量。
图3：依据制造商发布的5 个丈量点的5点测验。
近场丈量和远场丈量
OTA丈量体系能够依据取样辐射场的哪一部分来分类。图4 给出来自基站天线阵列(作业在2.70GHz 具有均匀鼓励的8个圆形微带天线贴片)的近场和远场。近场区和远场区由Fraunhofer 距离R = 2×D2 /λ 界说，其间D 是最大天线口径或尺度。在近场区，在小于R 的距离处，场强由感应重量和辐射重量组成; 而在天线的远场区仅有辐射重量场强。
图4：来自基站天线阵列的电磁场。
关于到远场区的数学改换，需求准确丈量围住被测设备三维外表上的相位和起伏，由此发生天线的2 维和3 维增益图。远场区丈量仅需求用起伏核算天线的波束图，假如需求也能够在OTA单点处丈量。
关于小型设备(取决于波长)，例如用户设备，关于远场条件所需的暗室尺度由丈量波长决议。
关于较大的设备，例如基站或大规模MIMO，所需的暗室尺度或许变得非常大。假如丈量体系能够准确地对整个关闭外表上的电磁场的相位和起伏进行采样，则暗室尺度能够大大减小。
在远场区展开丈量，需求直接丈量平面波起伏，并且这样的暗室一般相当大，暗室巨细要归纳考虑被测设备尺度和丈量频率。
尽管远场一般是在脱离被测设备恰当距离处丈量，可是能够经过操控电磁场，使得近场暗室能够用于直接丈量平面波起伏。有两种技能：
• 紧凑型区域暗室，最常常用于大型被测设备，如飞机和卫星;
• 平面波转化器(Plane Wave Converter, PWC)：在被测设备处创立平面波，这能够经过天线阵列替代丈量天线完结。类似于在光学体系中运用透镜，天线阵列能够在被测设备区域内的方针区方位生成平面远场。
近场丈量
近场区丈量需求在关闭外表(球形，线形或圆柱形)上采样得到的场相位和起伏，以便运用傅立叶频谱改换核算远场起伏。
这种丈量一般运用矢量网络分析仪，如RS ZNBT20，一端口接被测设备，另一端口接丈量天线。关于有源天线或大规模MIMO，一般没有专用天线端口或射频端口，因而OTA丈量体系有必要能够获取相位以便完结到远场的转化。关于有源天线体系，有两种获取相位的办法：
• 干与丈量：具有已知相位的第二根天线用作参阅。参阅信号与含不知道相位的被测设备信号混频，运用信号后处理办法，能够取得被测设备信号的相位，并用于近场到远场的改换。
• 多个面或探头：第二个面用作相位参阅，在两个丈量半径间至少有一个波长距离。也能够运用具有不同天线场特性的两个探头来替代多个面。
这两个探头需求分隔至少半个波长以尽量减小彼此耦合。
假如挑选运用矢量网络分析仪(VNA)，真实的多端口VNA(如RS ZNBT20)具有丈量天线单元间耦合的额定优势。选用多个接纳机而不是运用开关 — 一起履行测验减少了测验时长，并且能更好地履行完好的互耦合丈量。
定论
天线阵列将在未来的无线通讯中发挥重要作用。可是在它们的研制、规划和出产中遇到的应战使得完好测验关于完结最佳功用至关重要。射频测验端口消失以及运用厘米波和毫米波频率，使得OTA测验成为表征不只大规模MIMO 阵列，并且内部收发器功用的必要手法。这将会推进OTA暗室和丈量设备的许多需求，以便满意丈量天线辐射特性和收发器功用的严格要求。
