丁晉凱　孫彥明

【摘? 要】集成濾波器的5G大規(guī)模天線由于每個(gè)通道包含了一組濾波器，使得5G大規(guī)模天線的通道之間的幅度和相位一致性指標(biāo)變得很差，進(jìn)一步地，使得獲取除濾波器以外的純通道之間的幅度和相位的一致性指標(biāo)變得非常困難。對(duì)集成濾波器的5G大規(guī)模天線的測(cè)試方法進(jìn)行了原理分析和實(shí)際測(cè)試，找到了一種具有便捷的實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試方案，通過(guò)兩次測(cè)試間接獲取了通道間幅度相位一致性，消除了濾波器引起的幅度相位差異。

【關(guān)鍵詞】5G大規(guī)模天線;幅度和相位;集成濾波器的天線;天線測(cè)試方法

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.010? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）03-0049-07

引用格式：丁晉凱，孫彥明. 集成濾波器的5G大規(guī)模天線的S參數(shù)測(cè)試方法[J]. 移動(dòng)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大規(guī)模天線是5G系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，Massive MIMO是5G的關(guān)鍵技術(shù)[1]。Massive MIMO采用更大規(guī)模的子單元天線陣列，現(xiàn)階段主要采用的是64通道的MIMO天線，其可大幅提升系統(tǒng)容量和覆蓋范圍[2]。也正是由于其多通道的特性，使得5G天線天生具有3D波束賦形的能力，通過(guò)調(diào)整每個(gè)子單元天線的幅度和相位，就可以獲得特定的天線輻射方向圖，使無(wú)線信號(hào)能量集中于波束寬度更窄的波束上，實(shí)現(xiàn)方向可控，從而增強(qiáng)覆蓋范圍和減少干擾[3]。5G大規(guī)模天線的波束賦形示意圖如圖1所示：

而為了實(shí)現(xiàn)3D波束賦形的能力，給每個(gè)通道相應(yīng)的幅度和相位的激勵(lì)，硬件上需要5G天線具備一項(xiàng)基本功能，那就是具有通道之間的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度和相位的校準(zhǔn)功能[4]。此校準(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)原理主要是通過(guò)在天線的通道中設(shè)置相應(yīng)的耦合器和功分器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道之間的信號(hào)進(jìn)行提取檢測(cè)，從而對(duì)天線通道之間的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度相位誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)而為精確的波束賦形提供了基礎(chǔ)。也正是如此，5G天線的S參數(shù)的的傳輸函數(shù)中幅度相位一致性指標(biāo)是評(píng)估5G大規(guī)模天線電氣性能指標(biāo)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是整個(gè)有源天線系統(tǒng)（AAU）的重要基礎(chǔ)指標(biāo)。

目前常規(guī)的5G天線的傳輸函數(shù)中幅度相位一致性指標(biāo)測(cè)試方法較為簡(jiǎn)單，可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行每個(gè)通道到校準(zhǔn)端口的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度和相位的測(cè)試，進(jìn)而獲取傳輸函數(shù)中幅度相位一致性指標(biāo)。具體測(cè)試圖見(jiàn)圖2常規(guī)的5G天線測(cè)試示意圖。以64通道天線為例，通過(guò)測(cè)試P1-CAL， P2-CAL， ……， P63-CAL， P64-CAL的S參數(shù)的傳輸函數(shù)中幅度和相位，獲得對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的幅度和相位一致性差異。目前指標(biāo)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取值端口數(shù)的1到64的遍歷。

為了抑制帶外雜散信號(hào)，整機(jī)系統(tǒng)中每個(gè)通道需要增加濾波器模塊，常規(guī)AAU天線系統(tǒng)中濾波器模塊集成在主設(shè)備的功放側(cè)。目前為了提高系統(tǒng)的集成化程度，同時(shí)可以將大體積的濾波器放置在具備空間再利用的天線側(cè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，同時(shí)也可以降低系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)品的調(diào)試難度，目前的主流方案是將濾波器集成在天線側(cè)，嵌入到天線的各通道之間。集成濾波器的5G天線示意圖如圖3所示。

集成濾波器的5G大規(guī)模天線由于每個(gè)通道包含了一組濾波器，而每一組濾波器之間由于工藝一致性和個(gè)體調(diào)試的差異很難保證批量電氣性能（傳輸函數(shù)的幅度和相位以及端口反射系數(shù)）的一致性，使得5G大規(guī)模天線的通道之間的幅度和相位一致性指標(biāo)變得很差，進(jìn)一步導(dǎo)致獲取除濾波器以外的純通道之間的傳輸函數(shù)中的幅度和相位的一致性指標(biāo)變得非常困難。同時(shí)裝配成整機(jī)天線之后，濾波器的一個(gè)端口連接到信號(hào)輸入端口，但另一端口是連接到開放輻射結(jié)構(gòu)的天線單元，此種狀態(tài)下，單獨(dú)測(cè)試集成到天線上的濾波器指標(biāo)也變得困難，故需要設(shè)計(jì)一種方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器指標(biāo)和單獨(dú)天線指標(biāo)的測(cè)試和判定。

1? ? 集成濾波器的5G天線的測(cè)試方法

1.1? 集成濾波器的5G天線的測(cè)試現(xiàn)狀介紹

為了解決由于濾波器個(gè)體不一致性引起的通道內(nèi)幅度相位的差異，業(yè)內(nèi)提出一種方案，就是將濾波器嵌入通道的一端，設(shè)置一個(gè)電子開關(guān)，通過(guò)電子開關(guān)的通斷控制濾波器是否接入天線整機(jī)中，實(shí)現(xiàn)濾波器和天線的單獨(dú)分離測(cè)試。或者采用更直接的方法，將其做成開路端，然后分別測(cè)試單濾波器指標(biāo)和單獨(dú)天線的指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)估出需要的濾波器參數(shù)指標(biāo)和純天線的通道間的幅度相位一致性指標(biāo)。其原理示意圖如圖4所示。

很顯然，這種測(cè)試方案雖然原理簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作中，如果使用電子開關(guān)，必然增加集成濾波器的5G天線成本，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)電子開關(guān)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。如果使用開路方法，單獨(dú)測(cè)試玩濾波器和天線的S參數(shù)指標(biāo)后，最終還需要在開路的地方增加一個(gè)連接片進(jìn)行焊接，從而將整體通道連接起來(lái)，這在實(shí)際操作中將會(huì)增加一項(xiàng)繁瑣的焊接工序，并且這個(gè)工序會(huì)帶來(lái)再次焊接的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2? 集成濾波器的5G天線的測(cè)試方法探究

為了克服上述方案的缺陷，本文提出了一種易于操作的測(cè)試方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)樣品的驗(yàn)證。

本文的測(cè)試方案是利用了5G天線的陣子功分模塊和實(shí)現(xiàn)幅度相位校準(zhǔn)的校準(zhǔn)模塊之間的信號(hào)連接部件這個(gè)斷點(diǎn)進(jìn)行濾波器以及整機(jī)測(cè)試的。常規(guī)5G大規(guī)模天線的信號(hào)連接部件，是在裝配的最后環(huán)節(jié)進(jìn)行焊接，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線的信號(hào)傳輸?shù)捷椛涞奶炀€單元上。信號(hào)連接部件在實(shí)際天線上的位置如圖5所示。

5G天線實(shí)現(xiàn)陣子功分模塊和校準(zhǔn)模塊之間的信號(hào)連接部件示意圖如圖6所示。

利用這個(gè)信號(hào)連接部件的斷點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)了前述要進(jìn)行的單獨(dú)濾波器指標(biāo)和純天線的S參數(shù)的幅度相位一致性指標(biāo)測(cè)試。不焊接信號(hào)連接部件的情況下，這個(gè)位置就是預(yù)留了一個(gè)可供測(cè)試的端口，利用業(yè)內(nèi)的POGOPIN連接器測(cè)試，可以通過(guò)信號(hào)連接部件預(yù)留的過(guò)孔焊環(huán)進(jìn)行免焊接直接測(cè)試。POGOPIN連接器如圖7所示。

具體測(cè)試方案的原理介紹如下。

為了測(cè)試濾波器的性能以及評(píng)估不含濾波器的純天線的性能，以64通道天線為例，初步設(shè)計(jì)如下步驟：

（1）未焊接信號(hào)連接部件時(shí)，測(cè)試TB1- P1， TB2- P2， ……， TB64- P64，獲得單獨(dú)的包含濾波器數(shù)據(jù)S參數(shù)數(shù)據(jù)S（TBm， Pm），也就直接獲取濾波器的帶外抑制和每組濾波器通道的幅度和相位數(shù)據(jù)。

（2）焊接信號(hào)連接部件后，正常測(cè)試CAL-P1， CAL-P2， ……， CAL-P64，獲得包含濾波器特性的整個(gè)天線的S參數(shù)數(shù)據(jù)S（CAL， Pm）傳輸函數(shù)的幅度相位等校準(zhǔn)信息。

（3）通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理，利用S（CAL，Pm）的數(shù)據(jù)減去S（TBm， Pm）的數(shù)據(jù)，由于S（CAL， Pm）和S（TBm， Pm）均包含同一個(gè)濾波器的參數(shù)，顯然通過(guò)這一簡(jiǎn)單的減法操作即可消除濾波器的不一致性引起的差異。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)間接法后處理獲得不包含濾波器的純天線的數(shù)據(jù)。

此時(shí)，純天線的通道間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取值端口數(shù)的1到N（N為天線實(shí)際通道數(shù)）的遍歷。

為了更好地說(shuō)明，下面簡(jiǎn)單進(jìn)行一個(gè)證明，說(shuō)明公式（3）和公式（4）與公式（1）和公式（2）之間是等價(jià)的關(guān)系。要證明公式（3）和公式（4）分別與公式（1）和公式（2）等價(jià)，仔細(xì)觀察，即只需證明公式（3）和公式（1）等價(jià)即可，相位是包含在S參數(shù)里面的，公式（3）和公式（1）等價(jià)即可推出公式（4）和公式（2）等價(jià)。下面關(guān)鍵是證明公式（3）和公式（1）等價(jià)。

設(shè)定常規(guī)的5G天線幅度相位一致性表示如下：

（1）S（CAL，P'm）和S（CAL，P'n）分別表示不含濾波器時(shí)5G天線的CAL到Pm、CAL到Pn的S參數(shù)，根據(jù)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）集成了濾波器的5G天線的CAL到Pm、CAL到Pn的S參數(shù)表示為S（CAL，Pm）和S（CAL，Pn）;未焊接信號(hào)連接部件時(shí)，TBm-Pm、TBn-Pn可獲得單獨(dú)的包含濾波器數(shù)據(jù)S參數(shù)S（TBm， Pm）、S（TBn， Pn）。

證明公式（3）和公式（1）等價(jià)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）設(shè)定濾波器的S參數(shù)用S（Fm）和S（Fn）表示，集成了濾波器的5G天線的S（CAL，Pm）和S（CAL，Pn）是在常規(guī)的5G天線基礎(chǔ)上增加了濾波器的特性，則有：

S（CAL，Pm）=S（CAL，P'm）+S（Fm）? ? ? ? （8）

S（CAL，Pn）=S（CAL，P'n）+S（Fn）? ? ? ? （9）

（4）這里S（TBm，Pm）的數(shù)據(jù)即為濾波器的S參數(shù)加上固定的一段帶狀線的S參數(shù)，設(shè)此固定的一段帶狀線的S參數(shù)為S（stripline），由于設(shè)計(jì)時(shí)此段的帶狀線均為相同長(zhǎng)度，其S參數(shù)均為一致的。故有：

S（TBm，Pm）=S（Fm）+S（stripline）? ? （10）

S（TBn，Pn）=S（Fn）+S（stripline）? ? ? ? ? （11）

（5）將上述關(guān)系進(jìn)行代入，進(jìn)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）可以進(jìn)一步表示為：

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）

證明完畢。

1.3? 集成濾波器的5G天線的實(shí)物測(cè)試樣品數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證上述間接測(cè)試方法的可行性，我們進(jìn)行了兩端口樣品的實(shí)驗(yàn)，實(shí)際中更多端口的操作方法是一致的，僅僅只是數(shù)量的增加而已。

集成濾波器的5G天線的測(cè)試實(shí)物的如圖8所示：

（1）未焊接信號(hào)連接部件時(shí)，測(cè)試TB1- P1， TB2- P2， ……， TB64- P64，獲得單獨(dú)的包含濾波器數(shù)據(jù)S參數(shù)數(shù)據(jù)S（TBm， Pm），也就直接獲取濾波器的帶外抑制和每組濾波器通道的幅度和相位的數(shù)據(jù)。

實(shí)際獲得兩組單獨(dú)濾波器的傳輸函數(shù)的帶外抑制指標(biāo)和通道插損和相位關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯鰞H僅兩組濾波器之間的幅度一致性和相位一致性就很差，并且波動(dòng)很大，幅度范圍為-1.95 dB到-2.88 dB，幅度區(qū)間波動(dòng)0.93 dB，幅度一致性為0.19 dB，相位一致性最差值達(dá)到13.11°。

（2）焊接信號(hào)連接部件后，正常測(cè)試CAL-P1， CAL-P2， ……，

CAL-P64，獲得包含濾波器特性的整個(gè)天線的S參數(shù)數(shù)據(jù)S（CAL， Pm）傳輸函數(shù)的幅度相位等校準(zhǔn)信息。

實(shí)際獲得包含濾波器特性的整個(gè)天線的S參數(shù)數(shù)據(jù)的幅度相位指標(biāo)如圖10所示。很明顯可以看出由于濾波器之間的差異，導(dǎo)致整機(jī)天線的幅度相位一致性也變得很差，并且波動(dòng)很大，幅度范圍為-17.5 9dB到-18.60 dB，幅度區(qū)間波動(dòng)1.01 dB，幅度一致性為0.2 dB，相位一致性最差值達(dá)到15.12°。

（3）通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理，利用S（CAL， Pm）的數(shù)據(jù)減去S（TBm， Pm）的數(shù)據(jù)，由于S（CAL， Pm）和S（TBm， Pm）均包含同一個(gè)濾波器的參數(shù)，顯然通過(guò)這一簡(jiǎn)單的減法操作即可消除因?yàn)闉V波器的不一致性引起的差異。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)間接法后處理獲得不包含濾波器的純天線的數(shù)據(jù)。

通過(guò)間接法獲得不包含濾波器的純天線的S參數(shù)的傳輸函數(shù)的幅度相位指標(biāo)如圖11所示。很明顯可以看出濾波器之間的差異已經(jīng)被消除，整機(jī)天線的幅度相位一致性也變得正常，并且波動(dòng)很小，幅度范圍為-15.56 dB到-15.83 dB，幅度區(qū)間波動(dòng)0.27 dB，幅度一致性為0.11 dB，相位一致性為2.71°。

具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示：

通過(guò)這個(gè)實(shí)際的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了提出的測(cè)試方案的可行性，這種測(cè)試方案充分利用已有條件，處理簡(jiǎn)便，一致性好，不需要額外增加部件和增加產(chǎn)線流程，只是將產(chǎn)線流程順序進(jìn)行變化，能很好地解決了由于濾波器之間不一致性引起的差異，獲取到了不包含濾波器的純天線的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器指標(biāo)和單獨(dú)天線指標(biāo)的測(cè)試和判定。

2? ?結(jié)束語(yǔ)

本文提出的集成濾波器的5G天線的測(cè)試方法，很好地消除了通道之間濾波器的差異，且測(cè)試方法簡(jiǎn)便高效，可行性好，從理論和實(shí)際上均驗(yàn)證了此測(cè)試方法的有效性和準(zhǔn)確性，是一種便于生產(chǎn)操作的具有一致性的方法，能便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器指標(biāo)和單獨(dú)天線指標(biāo)的測(cè)試和判定，為后期集成濾波器的5G天線的批量測(cè)試打下了基礎(chǔ)，后期要做的工作就是將此測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化，提高測(cè)試效率。

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作者簡(jiǎn)介

丁晉凱（orcid.org/0000-0002-0903-2266）：高級(jí)工程師，現(xiàn)任職于武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，研究方向?yàn)?G大規(guī)模陣列天線的系統(tǒng)和模塊設(shè)計(jì)。

孫彥明：高級(jí)工程師，現(xiàn)任武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司天饋事業(yè)部研發(fā)經(jīng)理，研究方向?yàn)榛咎炀€設(shè)計(jì)開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。