王 波，欒 帥，邱 濤，郭爽楠（.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，北京00033；.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京00048）

0 引言

Massive MIMO天線中有源模塊和天線陣列高度集成，有源模塊的接收、發(fā)射通道存在多種誤差來源，可分為時變誤差和非時變誤差兩大類。其中時變誤差包括T/R通道隨環(huán)境溫度、時間、工作頻率變化時，放大器的相位和增益變化；混頻器件特性漂移、濾波器件時延及幅/相失真、I/Q通道的非完全正交、天線陣列在室外隨環(huán)境的形變等。非時變誤差包括陣列加工誤差、幾何位置安裝誤差、單元互耦、方向圖邊緣效應(yīng)、饋線及分配網(wǎng)絡(luò)誤差、連接器的一致性等。在各種誤差的影響下，陣列的性能將受到影響。因此，探討適合于5G天線的陣列校準方法具有重要現(xiàn)實意義。

根據(jù)校準信號獲取位置的差別，可將校準方法分為“路校準”和“場校準”2種，“路校準”方法的校準信號來自傳輸射頻信號的傳輸線，常用的做法是在微帶線或同軸線中設(shè)計定向耦合器；“場校準”方法的校準信號取自陣列的輻射場，通常在輻射近場中設(shè)置信標天線，并與陣列中各單元模塊建立收、發(fā)鏈路。

1 “路校準”方法介紹及分析

對于有N個射頻模塊的Massive MIMO天線，應(yīng)用路校準時需設(shè)計1分N的等功率分配器，并在每個分配器末端連接定向耦合器，圖1示意了8T8R MIMO天線的校準電路，通過記錄各模塊端口（圖1中的I/O port）至校準端口（圖1中的Cal port）的傳輸相應(yīng)值，就可以修正各模塊中從數(shù)字基帶至射頻端口的通道誤差。實際應(yīng)用中，路校準方法存在以下誤差因素：

圖1 8T8R MIMO陣列的校準電路

a）因定向耦合器加工誤差帶來的性能差異。

b）定向耦合器受自身輸入端（與射頻模塊相連接）阻抗影響帶來的性能差異。

c）定向耦合器受輸出端（與天線模塊相連接）阻抗差異帶來的性能差異。

在Massive MIMO天線中，天線模塊的阻抗除受模塊在陣列中的位置、天線外罩與各模塊的距離影響外，還受天線的波束狀態(tài)的影響，對定向耦合器的輸出端而言，天線模塊呈現(xiàn)的是動態(tài)的有源阻抗。

為進一步說明天線端阻抗對耦合通道的影響，圖2給出了量化分析。

圖2 定向耦合器受天線模塊反射信號的影響

圖2 中假設(shè)入射信號為0 dBV，定向耦合器的耦合量為-16 dB，定向性為-15 dB，天線模塊回波損耗為-14 dB（對應(yīng)VSWR=1.5）。對照圖1中的符號有：

E0=-16 dBV=0.158 5（線性）

Mag（dE）=-45 dBV=0.005 6（線性）

考慮到dE實際上為復(fù)矢量信號，其相位可能在0～360°之間變化（如圖3所示），E’=0.158 5±0.005 6∈［0.152 9，0.164 1］，轉(zhuǎn)換為dB值為：E’（dB）=［-16.3，-15.7］，對應(yīng)的誤差Error≈0.6 dB。

圖3 反射信號（dE）造成的誤差

通過算例表明，天線模塊-14 dB（對應(yīng)VSWR=1.5）的回波損耗將造成校準電路0.6 dB的幅度誤差。實際的Massive有源天線中，各天線模塊、射頻模塊存在阻抗差異，同時天線模塊的阻抗還隨波束狀態(tài)的改變而變化，將給校準電路帶來更大的誤差，具體的誤差分析可根據(jù)上述原理展開。

下面補充解釋天線模塊的阻抗隨波束狀態(tài)改變的原理。如圖4所示，a代表天線模塊入射信號（即波束權(quán)值，與天線波束相狀態(tài)對應(yīng)），b代表反射信號。

圖4 陣列天線中的互耦現(xiàn)象

根據(jù)S參數(shù)定義，模塊m的反射信號bm可表示為：

對應(yīng)的有源回波損耗為：

由式（2）可知，與天線波束狀態(tài)改變對應(yīng)的入射信號am會直接影響天線端口的回波損耗，根據(jù)圖2和圖3的分析，端口的回波又會影響校準信號。因此，系統(tǒng)工作時校準的時機選擇非常重要，最好能避免在各端口同時工作的合成波束狀態(tài)下進行校準，避免各端口的波束權(quán)值不相同造成額外的校準誤差。

2 “場校準”方法介紹及分析

適合5G天線的場校準方法有2種。第1種是“輔助單元法”，如圖5所示，在天線內(nèi)部選擇少量位置，設(shè)置一些輔助單元。該方法需要預(yù)先獲取輔助單元與各有源模塊的傳輸系數(shù)，產(chǎn)品使用過程中，適時監(jiān)測輔助單元與有源模塊的傳輸系數(shù)，并于初始系數(shù)做對比，實現(xiàn)誤差修正。

圖5 “輔助單元法”應(yīng)用于陣列校準

第2種是“自校準法”，如圖6所示，圖6中顯示了陣中單元m和周圍6個單元，帶箭頭的曲線代表從m單元到n單元或其他單元的互耦傳輸系數(shù)。通道間的誤差系數(shù)可以用旋轉(zhuǎn)矢量法進行求解。

圖6 “自校準法”應(yīng)用于陣列校準

圖7 示意了旋轉(zhuǎn)矢量法的求解過程，C代表被校準通道周圍各單元都工作時對校準通道產(chǎn)生的耦合信號，任意選出其中1個單元B，并在0～360°范圍內(nèi)改變單元B的發(fā)射（或接收）相位，使合成的耦合信號C出現(xiàn)最大（Cmax）和最小值（Cmin）。

圖7 旋轉(zhuǎn)矢量法的求解過程

由矢量運算法則可知：

通過對各個單元都進行相位調(diào)整，就可以獲得每個單元對校準通道的傳輸系數(shù)，實現(xiàn)通道誤差修正。

從上述分析可知，原理上，場校準可通過使用專用的“輔助單元”或直接使用陣中的某個單元，但校準過程獲取的傳輸系數(shù)必須和已知的系數(shù)做對比才能最終確定通道誤差。因此，校準通道傳輸系數(shù)的穩(wěn)定性是場校準方法應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖8示意了“場校準”方法的主要影響因素，其中的Tn代表傳輸系數(shù)。由于“場校準”的傳輸系數(shù)取值自天線輻射場，容易受外界因素影響，因此“場校準”方法的誤差更難控制。

圖8 “場校準”方法的主要影響因素

3 總結(jié)

本文介紹、分析、對比了適合于Massive MIMO的“路校準”和“場校準”方法，特別分析了影響各種方法的誤差因素，提出了應(yīng)用校準方法過程中的注意事項，可為5G Massive MIMO天線系統(tǒng)的深入研究提供有益借鑒。