集成滤波器的5G大规模天线的S参数测试方法

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　　【摘  要】集成滤波器的5G大规模天线由于每个通道包含了一组滤波器，使得5G大规模天线的通道之间的幅度和相位一致性指标变得很差，进一步地，使得获取除滤波器以外的纯通道之间的幅度和相位的一致性指标变得非常困难。对集成滤波器的5G大规模天线的测试方法进行了原理分析和实际测试，找到了一种具有便捷的实际应用的测试方案，通过两次测试间接获取了通道间幅度相位一致性，消除了滤波器引起的幅度相位差异。
　　【关键词】5G大规模天线;幅度和相位;集成滤波器的天线;天线测试方法
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.010        中图分类号：TP393
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）03-0049-07
　　引用格式：丁晋凯，孙彦明. 集成滤波器的5G大规模天线的S参数测试方法[J]. 移动通信， 2020，44（3）： 49-55.
　　S-parameter Test Method of 5G Massive MIMO Antenna with Integrated Filter
　　DING Jinkai ， SUN Yanming
　　（Wuhan Hongxin Communication Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）
　　[Abstract] Since 5G massive MIMO antenna with integrated filter has a set of filters for each channel， the amplitude and phase consistency between the channels are poor， and it is difficult to further obtain the pure consistency indicators of the amplitude and phase between channels excluding the filters. This paper provides principle analysis and practical test of test method for the massive MIMO antenna with integrated filter， and finds a test solution with convenient practical application. The amplitude and phase consistency between channels are obtained indirectly through two tests， and the amplitude and phase difference caused by the filters are eliminated.
　　[Key words]5G massive MIMO antenna; amplitude and phase; antenna with integrated filter; antenna test method
　　0   引言
　　5G大规模天线是5G系统的关键部件，Massive MIMO是5G的关键技术[1]。Massive MIMO采用更大規模的子单元天线阵列，现阶段主要采用的是64通道的MIMO天线，其可大幅提升系统容量和覆盖范围[2]。也正是由于其多通道的特性，使得5G天线天生具有3D波束赋形的能力，通过调整每个子单元天线的幅度和相位，就可以获得特定的天线辐射方向图，使无线信号能量集中于波束宽度更窄的波束上，实现方向可控，从而增强覆盖范围和减少干扰[3]。5G大规模天线的波束赋形示意图如图1所示：
　　而为了实现3D波束赋形的能力，给每个通道相应的幅度和相位的激励，硬件上需要5G天线具备一项基本功能，那就是具有通道之间的S参数的传输函数中幅度和相位的校准功能[4]。此校准功能的实现原理主要是通过在天线的通道中设置相应的耦合器和功分器模块，实现对各通道之间的信号进行提取检测，从而对天线通道之间的S参数的传输函数中幅度相位误差进行校准，进而为精确的波束赋形提供了基础。也正是如此，5G天线的S参数的的传输函数中幅度相位一致性指标是评估5G大规模天线电气性能指标的关键指标之一，是整个有源天线系统（AAU）的重要基础指标。
　　目前常规的5G天线的传输函数中幅度相位一致性指标测试方法较为简单，可以直接用网络分析仪进行每个通道到校准端口的S参数的传输函数中幅度和相位的测试，进而获取传输函数中幅度相位一致性指标。具体测试图见图2常规的5G天线测试示意图。以64通道天线为例，通过测试P1-CAL， P2-CAL， ……， P63-CAL， P64-CAL的S参数的传输函数中幅度和相位，获得对应频点的幅度和相位一致性差异。目前指标幅度相位一致性的要求如公式（1）和（2）所示：
　　{S（CAL，Pm）}max-{S（CAL，Pn）}min} ≤ 0.5dB            （1）
　　{arg（S（CAL，Pm）max-{arg（S（CAL，Pn））}min≤ 0.5dB  （2）
　　其中，m、n取值端口数的1到64的遍历。
　　为了抑制带外杂散信号，整机系统中每个通道需要增加滤波器模块，常规AAU天线系统中滤波器模块集成在主设备的功放侧。目前为了提高系统的集成化程度，同时可以将大体积的滤波器放置在具备空间再利用的天线侧，实现设备的小型化，同时也可以降低系统侧产品的调试难度，目前的主流方案是将滤波器集成在天线侧，嵌入到天线的各通道之间。集成滤波器的5G天线示意图如图3所示。 　　集成滤波器的5G大规模天线由于每个通道包含了一组滤波器，而每一组滤波器之间由于工艺一致性和个体调试的差异很难保证批量电气性能（传输函数的幅度和相位以及端口反射系数）的一致性，使得5G大规模天线的通道之间的幅度和相位一致性指标变得很差，进一步导致获取除滤波器以外的纯通道之间的传输函数中的幅度和相位的一致性指标变得非常困难。同时装配成整机天线之后，滤波器的一个端口连接到信号输入端口，但另一端口是连接到开放辐射结构的天线单元，此种状态下，单独测试集成到天线上的滤波器指标也变得困难，故需要设计一种方法，实现对滤波器指标和单独天线指标的测试和判定。
　　1    集成滤波器的5G天线的测试方法
　　1.1  集成滤波器的5G天线的测试现状介绍
　　为了解决由于滤波器个体不一致性引起的通道内幅度相位的差异，业内提出一种方案，就是将滤波器嵌入通道的一端，设置一个电子开关，通过电子开关的通断控制滤波器是否接入天线整机中，实现滤波器和天线的单独分离测试。或者采用更直接的方法，将其做成开路端，然后分别测试单滤波器指标和单独天线的指标，进而评估出需要的滤波器参数指标和纯天线的通道间的幅度相位一致性指标。其原理示意图如图4所示。
　　很显然，这种测试方案虽然原理简单，但实际操作中，如果使用電子开关，必然增加集成滤波器的5G天线成本，同时也会带来电子开关的可靠性风险。如果使用开路方法，单独测试玩滤波器和天线的S参数指标后，最终还需要在开路的地方增加一个连接片进行焊接，从而将整体通道连接起来，这在实际操作中将会增加一项繁琐的焊接工序，并且这个工序会带来再次焊接的风险。
　　1.2  集成滤波器的5G天线的测试方法探究
　　为了克服上述方案的缺陷，本文提出了一种易于操作的测试方案，并进行了实验样品的验证。
　　本文的测试方案是利用了5G天线的阵子功分模块和实现幅度相位校准的校准模块之间的信号连接部件这个断点进行滤波器以及整机测试的。常规5G大规模天线的信号连接部件，是在装配的最后环节进行焊接，从而实现整个天线的信号传输到辐射的天线单元上。信号连接部件在实际天线上的位置如图5所示。
　　5G天线实现阵子功分模块和校准模块之间的信号连接部件示意图如图6所示。
　　利用这个信号连接部件的断点位置，实现了前述要进行的单独滤波器指标和纯天线的S参数的幅度相位一致性指标测试。不焊接信号连接部件的情况下，这个位置就是预留了一个可供测试的端口，利用业内的POGOPIN连接器测试，可以通过信号连接部件预留的过孔焊环进行免焊接直接测试。POGOPIN连接器如图7所示。
　　具体测试方案的原理介绍如下。
　　为了测试滤波器的性能以及评估不含滤波器的纯天线的性能，以64通道天线为例，初步设计如下步骤：
　　（1）未焊接信号连接部件时，测试TB1- P1， TB2- P2， ……， TB64- P64，获得单独的包含滤波器数据S参数数据S（TBm， Pm），也就直接获取滤波器的带外抑制和每组滤波器通道的幅度和相位数据。
　　（2）焊接信号连接部件后，正常测试CAL-P1， CAL-P2， ……， CAL-P64，获得包含滤波器特性的整个天线的S参数数据S（CAL， Pm）传输函数的幅度相位等校准信息。
　　（3）通过后期数据处理，利用S（CAL，Pm）的数据减去S（TBm， Pm）的数据，由于S（CAL， Pm）和S（TBm， Pm）均包含同一个滤波器的参数，显然通过这一简单的减法操作即可消除滤波器的不一致性引起的差异。进而实现了通过间接法后处理获得不包含滤波器的纯天线的数据。
　　此时，纯天线的通道间的幅度和相位一致性可以用下述公式描述：
　　{S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）}max-{S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）}min
　　≤0.5dB                                                          （3）
　　{arg（S（CAL，Pm）-arg（S（TBm，Pm）}max-arg（S（CAL，Pn）-
　　arg（S（TBn，Pn）}min≤0.5°                                              （4）
　　其中，m、n取值端口数的1到N（N为天线实际通道数）的遍历。
　　为了更好地说明，下面简单进行一个证明，说明公式（3）和公式（4）与公式（1）和公式（2）之间是等价的关系。要证明公式（3）和公式（4）分别与公式（1）和公式（2）等价，仔细观察，即只需证明公式（3）和公式（1）等价即可，相位是包含在S参数里面的，公式（3）和公式（1）等价即可推出公式（4）和公式（2）等价。下面关键是证明公式（3）和公式（1）等价。
　　设定常规的5G天线幅度相位一致性表示如下：
　　（1）S（CAL，P'm）和S（CAL，P'n）分别表示不含滤波器时5G天线的CAL到Pm、CAL到Pn的S参数，根据公式（1）和公式（2）其幅度相位一致性可用下式表示。 　　幅度一致性：{S（CAL，P'm）}max-{S（CAL，P'n）}min           （5）
　　相位一致性：{arg（S（CAL，P'm））}max-{arg（S（CAL，P'n）}min （6）
　　（2）集成了滤波器的5G天线的CAL到Pm、CAL到Pn的S参数表示为S（CAL，Pm）和S（CAL，Pn）;未焊接信号连接部件时，TBm-Pm、TBn-Pn可获得单独的包含滤波器数据S参数S（TBm， Pm）、S（TBn， Pn）。
　　证明公式（3）和公式（1）等价也即下式成立：
　　{S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）}min-S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）}min
　　={S（CAL，P'm）max-S（CAL，P'n）min （7）
　　（3）设定滤波器的S参数用S（Fm）和S（Fn）表示，集成了滤波器的5G天线的S（CAL，Pm）和S（CAL，Pn）是在常规的5G天线基础上增加了滤波器的特性，则有：
　　S（CAL，Pm）=S（CAL，P'm）+S（Fm）        （8）
　　S（CAL，Pn）=S（CAL，P'n）+S（Fn）        （9）
　　（4）这里S（TBm，Pm）的数据即为滤波器的S参数加上固定的一段带状线的S参数，设此固定的一段带状线的S参数为S（stripline），由于设计时此段的带状线均为相同长度，其S参数均为一致的。故有：
　　S（TBm，Pm）=S（Fm）+S（stripline）    （10）
　　S（TBn，Pn）=S（Fn）+S（stripline）          （11）
　　（5）將上述关系进行代入，进而有：
　　S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）+{S（CAL，P'm）+S（Fm）}-S（Fm）+S（stripline）}=S（CAL，P'm）+S（stripline）                                    （12）
　　S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）+{S（CAL，P'n）+S（Fn）}-S（Fn）+S（stripline）}=S（CAL，P'n）+S（stripline）                                       （13）
　　故公式（3）可以进一步表示为：
　　S（CAL，Pm）-S（TBm，Pm）}max-{S（CAL，Pn）-S（TBn，Pn）}min
　　={S（CAL，P'm）+S（stripline）}max-{S（CAL，P'n）+S（stripline）}min
　　={S（CAL，P'm）}max-{S（CAL，P'n）}min （14）
　　证明完毕。
　　1.3  集成滤波器的5G天线的实物测试样品数据
　　为了验证上述间接测试方法的可行性，我们进行了两端口样品的实验，实际中更多端口的操作方法是一致的，仅仅只是数量的增加而已。
　　集成滤波器的5G天线的测试实物的如图8所示：
　　（1）未焊接信号连接部件时，测试TB1- P1， TB2- P2， ……， TB64- P64，获得单独的包含滤波器数据S参数数据S（TBm， Pm），也就直接获取滤波器的带外抑制和每组滤波器通道的幅度和相位的数据。
　　实际获得两组单独滤波器的传输函数的带外抑制指标和通道插损和相位关系如图9所示。可以看出仅仅两组滤波器之间的幅度一致性和相位一致性就很差，并且波动很大，幅度范围为-1.95 dB到-2.88 dB，幅度区间波动0.93 dB，幅度一致性为0.19 dB，相位一致性最差值达到13.11°。
　　（2）焊接信号连接部件后，正常测试CAL-P1， CAL-P2， ……，
　　CAL-P64，获得包含滤波器特性的整个天线的S参数数据S（CAL， Pm）传输函数的幅度相位等校准信息。
　　实际获得包含滤波器特性的整个天线的S参数数据的幅度相位指标如图10所示。很明显可以看出由于滤波器之间的差异，导致整机天线的幅度相位一致性也变得很差，并且波动很大，幅度范围为-17.5 9dB到-18.60 dB，幅度区间波动1.01 dB，幅度一致性为0.2 dB，相位一致性最差值达到15.12°。
　　（3）通过后期数据处理，利用S（CAL， Pm）的数据减去S（TBm， Pm）的数据，由于S（CAL， Pm）和S（TBm， Pm）均包含同一个滤波器的参数，显然通过这一简单的减法操作即可消除因为滤波器的不一致性引起的差异。进而实现了通过间接法后处理获得不包含滤波器的纯天线的数据。
　　通过间接法获得不包含滤波器的纯天线的S参数的传输函数的幅度相位指标如图11所示。很明显可以看出滤波器之间的差异已经被消除，整机天线的幅度相位一致性也变得正常，并且波动很小，幅度范围为-15.56 dB到-15.83 dB，幅度区间波动0.27 dB，幅度一致性为0.11 dB，相位一致性为2.71°。
　　具体统计数据如表1所示：
　　通过这个实际的样品测试数据，验证了提出的测试方案的可行性，这种测试方案充分利用已有条件，处理简便，一致性好，不需要额外增加部件和增加产线流程，只是将产线流程顺序进行变化，能很好地解决了由于滤波器之间不一致性引起的差异，获取到了不包含滤波器的纯天线的特性，实现对滤波器指标和单独天线指标的测试和判定。
　　2   结束语
　　本文提出的集成滤波器的5G天线的测试方法，很好地消除了通道之间滤波器的差异，且测试方法简便高效，可行性好，从理论和实际上均验证了此测试方法的有效性和准确性，是一种便于生产操作的具有一致性的方法，能便捷地实现对滤波器指标和单独天线指标的测试和判定，为后期集成滤波器的5G天线的批量测试打下了基础，后期要做的工作就是将此测试过程自动化，提高测试效率。
　　参考文献：
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　　[2]   王波，栾帅，邱涛，等. 5G Massive MIMO天线阵列校准方法探讨[J]. 邮电设计技术， 2019（3）： 32-34.
　　[3]    张瑞艳，邵哲，曹景阳. 大规模阵列天线基站的OTA测试方法研究[J]. 移动通信， 2017，41（5）： 91-96.
　　[4]     张长青. 面向5G的大规模MIMO天线阵列研究[J]. 邮电设计技术， 2016（3）： 34-39.
　　作者简介
　　丁晋凯（orcid.org/0000-0002-0903-2266）：高级工程师，现任职于武汉虹信通信技术有限责任公司，研究方向为5G大规模阵列天线的系统和模块设计。
　　孙彦明：高级工程师，现任武汉虹信通信技术有限责任公司天馈事业部研发经理，研究方向为基站天线设计开发和系统设计。
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