空口测试中的远近场变换方法研究

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大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)以及毫米波(Millimeter Wave,mmWave)通信技术的引进实现了第五代移动通信(5th-Generation,5G)时代大量用户数据的高速传输,显著地提升了通信系统的性能。随着5G技术的快速发展,各厂家在生产时需要对智能终端进行更加全面的性能测试。空口(Over-The-Air,OTA)测试是目前应用较为广泛的用于评估天线系统的无线电性能的方法。然而,理想中基于远场的OTA测试在实际中会受到成本、空间和距离的限制,本文着眼于OTA测试中的远近场变换方法的研究,对OTA射频(Radio Frequency,RF)性能测试以及OTA系统性能测试中模拟理想远场的方案进行了研究。天线测试是OTARF性能测试中一个重要的研究课题,直接远场法(Direct Far Field,DFF)、紧缩场法(Compact Antenna Test Range,CATR)及近场转换(Near Field Transformation,NFTF)法是天线测试的常用方案。而平面波合成器(Plane-Wave Generator,PWG)辐射系统由于其在成本、测试距离上的优势成为了目前近场天线测试的较受欢迎的一种方法。研究PWG的关键在于设计PWG辐射源的位置和权重,以满足所需的远场分布精度。在传统方法中利用非冗余采样表示理论对PWG辐射源进行位置采样,而本文提出了基于合成场相似性以及基于正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法的两种新的位置采样方法,并分别仿真分析了合成场与目标场的误差,验证了所提方法相对于传统方法的优越性。此外,本文还提出了一种新的凸优化框架以抑制被测天线(Antenna Under-Test,AUT)孔径外围区域的辐射能量。对于OTA系统性能测试,混响室法(Reverberation Chamber,RC)、辐射两步法(Radiated Two-Stage,RTS)以及多探头暗室法(Multi-Probe Anechoic Chamber,MPAC)是三种主流方案。其中,MPAC方法是唯一一种在原理上能够完全支持Massive MIMO的OTA测试方法,因而本文将该方法定为仿真中Massive MIMO的OTA测试基本方案。在MPAC的近场环境中,存在接收端信号的空间谱波谷(零深)位置下陷程度不足的问题。为了避免近场效应,并从根源上解决该问题,本文提出了基于误差调整矩阵的调幅调相网络结构来代替暗室环境,从而模拟出了理想中远场的效果。由于近场效应体现在空间谱上的误差不是很大,为了能够很好地解决该问题,必须考虑基础调幅调相网络结构调整精度不足的问题,因此本文选择在信道模拟器(Channel Emulator,CE)中增加对应的误差调整矩阵,与基础调幅调相网络共同改善空间谱,从而进一步实现理想远场的效果。本文仿真分析了近场效应下以及所提方法下得到的空间谱误差,验证了所提方法对于解决该问题的有效性。
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