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作者：James Young：ETS-Lindgren 業務發展總監
Jari Vikstedt：ETS-Lindgren 無線解決方案部門經理
過去的一年，5G技術是EMC行業的熱點話題，但5G設備若要完全滿足運營商的期望，在測試規範、儀器和框架等方面還需要進行大量的工程工作。其中，電磁兼容性（EMC）技術是受影響的領域之一，但卻最少被談及。伴隨快速增長的測試需求，這一塊市場很大，研究5G相關的EMC問題並建立實驗室測試能力迫在眉睫。
EMC和安全工程師大多數情況下對大肆宣傳新技術具有先天免疫，因為這個行業的標準發展相當緩慢，通常測試方法本身對於變化微小的被測物具有較高的適應性。對於即將到來的 5G 設備，以下兩種新技術將對當前的測試系統和方法提出挑戰，首先，5G設備選用的兩個工作頻段相隔甚遠，這種變化不是簡單通過擴充測試限值範圍就能適應的；其次，為了利用兩個傳輸頻段的優勢，5G 設備還將採用先進的天線系統，當前的測試方法需要經過諸多修正以適應 5G 產品的測試。
理想情況下，測試標準應該在產品開展 EMC 測試之前就正式發佈，5G 產品系列EMC標準希望考慮這種狀況並制定可以保證數億個設備可以共存、避免互擾的測試方法。但是現實情況是，5G 設備相關標準的滯後，使我們不得不從已有可用的標準中提取需要的信息去制定測試規範，而不能一直等待5G的產品類標準。例如，4G LTE 設備測試主要集中在三個主要方面：一致性、性能和兼容。EMC測試主要關注兼容部分，專注於保護頻譜可用度，避免產生可能阻塞其他通信系統的無意輻射。對於 5G 設備，3GPP 的測試項目側重於一致性，CTIA 測試項目側重於性能評估，而美國 FCC 或 ETSI 的測試項目是為了確保與所有其他傳輸保持兼容性。本文將探討 5G 電磁兼容測試以及它們將如何影響 EMC 測試系統、暗室和測試程序。
雙頻域傳輸
目前的蜂窩基站和手持設備在 450 MHz~6 GHz 區域內發送和接收，世界各地區開放頻譜的巨大差異是造成這一現象的主要原因。軍事、衛星、蜂窩、醫療、工業等方面，每個國家都以不同形式劃分頻譜。許多新的 5G 設備將繼續使用目前的蜂窩頻率範圍，現在由 5G 標準標記為頻域 1（FR1），有時也稱為 6 GHz 以下頻域。頻域 2（FR2）仍在形成中，可能將 24~52.6 GHz 的頻域進行拍賣。因此，FR2 將造成消費類設備的傳輸頻率高於當前大多數 EMC 測試標準所要求兼容的頻率，許多 5G 設備將同時使用 FR1 和 FR2，而有些設備僅使用一個頻域。
當前標準在 5G 的應用
國際電信聯盟（ITU）已經為 5G 設備提出了幾個適用的標準，這些初步建議可在 ITU-T K.10 中找到。圖1是 ITU-T 關於 5G 設備的輻射和抗擾度的測試建議。
（a）抗擾度測試要求
（b）輻射測試要求
圖 1 ITU-T關於5G 設備的抗擾度和輻射測試的要求
目前正在將現有的EMC標準應用於5G設備，期望通過修訂這些標準，可以更好地應對技術的不斷髮展。例如，CISPR 正有序地開展 6 GHz以上輻射發射標準制定工作，並澄清了音頻突破和其他抗擾度測試的適用性。在美國使用FR2頻段的設備必須符合FCC Part 30“UPPER MICROWAVE FLEXIBLE USE SERVICE”的要求，其中，Part 30.202和Part 2.1046提供了有效各向同性輻射功率（EIRP）方面的傳輸功率限值和帶寬限制，Part 30.203定義了臨道和雜散頻帶相關的功率譜密度發射限值。關於 FCC Part 30測量的其他關鍵信息可以在FCC知識庫（KDB）文檔 842590 D01中找到。在被測設備周圍進行EIRP球面測量，可以評估天線輻射功率的影響。ETSI也利用EIRP測量值，或與之密切相關的總輻射功率（TRP）測量值（取所有EIRP的平均值）。與前幾代蜂窩設備的關鍵區別在於，不能再認為 5G 天線都是各向同性的，這種假設可用於 FR1，但 FR2 鏈路採用的特殊天線需要增加額外的測量要求。
對測試系統的影響
5G設備也將拓展測量系統和測試環境的應用外延，FR2設備的天線系統對於消費者設備來說是全新的。作為MIMO概念的擴展，FR2天線包含多個具有移相功能的天線陣元，通過混合組合可以定向波束。天線陣元組成的天線陣列，具有很高的方向性和增益；隨著天線陣元的增加，可形成更窄的波束，從而增加定向性增益。與前幾代產品不同，5G 毫米波設備上沒有可用於傳導測量的天線端口，由於尺寸限制，每個天線陣元連接射頻端口不現實，天線陣元的影響只能在遠離天線陣列的地方測量；測量每個端口的功率然後再整合（如針對MIMO天線系統所做的那樣），計算將非常複雜。這些因素意味著圍繞功率或發射的測量必須通過輻射方法而不是傳導方法，輻射測試系統需要重新關注天線放置位置、波束寬度和路徑損耗等影響。
測試距離
CISPR，ETSI 和美國FCC希望儘可能在天線遠場測量輻射的幅值。天線有近場和遠場兩個區域，在一定距離內，電磁分量幅度隨測量位置的微小變化產生巨大變化，換句話說，當“靠近”發射天線時，波是不均勻的，在近場區域，幅度測試結果難以預測，如圖 2 所示，近場波難以預測，遠場具有均一特性，實線是近場和遠場區域的分界線。
圖2 輻射天線的近場和遠場
在EMC測量中，有時將測量天線放置距被測物3λ 附近，即測試距離是傳輸信號波長的三倍。波長λ=c/f，其中c是光速（單位：m/s），f 是頻率（單位：Hz）。若測量天線與發射天線距離小於3 λ，可能增加處在發射天線近場區的風險。計算 FR1 的無線發射機要求的遠場距離，顯示了典型的3 m法測試距離存在潛在的測量問題。無線通信發射頻段始於450 MHz左右，對應的波長為0.67 m，因此測試天線的放置距離是 2 m；6 GHz對應的波長為 0.05 m，天線的放置距離就是 0.15 m。典型的輻射雜散發射（RSE）測試是在3 m 測量距離進行，該測試距離是接近300 MHz以下諧波的近場和遠場邊界線。可見，3 m 測試距離對於6 GHz 頻段的高次諧波來說太大了，考慮到6 GHz 的10次諧波60 GHz，波長僅為5 mm，需要仔細規劃測量天線的工作模式才有可能檢測到該諧波信號。
天線波束寬度
天線增益及其對波束寬度的影響使捕獲信號變得複雜。可以將波束寬度與各種光源進行類比，全向天線類似於裸露的燈泡，但天線增益對天線能量的聚焦作用類似於手電筒聚焦光線的方式，在更小的空間上增加了強度。定向測量天線在聚焦方向上具有更高的增益，可以檢測到更低幅度的信號，缺點是高增益聚焦天線對波束寬度之外存在檢測盲點。對於發射測試，窄波束天線存在信號到天線檢測方向不易對準的風險，用於1 GHz 以上發射測量的喇叭天線的波束寬度通常為30°~ 70°，波束外檢測不到信號。發射測量天線的方向圖如圖3所示，顯示了波束隨頻率增加而變窄，從而難以探測波束聚焦範圍之外的信號。用於FR2 的測量天線波束寬度約為10°，能夠捕獲波長為釐米級或毫米級的信號。
路徑損耗
路徑損耗在寬頻段範圍內的變化也會影響5G發射和功率測量。由Friis傳輸公式導出的自由空間路徑損耗（FSPL）方程是FSPL（dB）= 20lg(4πdf/c)，其中f 是傳輸（或諧波）頻率（單位：Hz），c 是光速（單位：m/s），d 是天線之間的距離（單位：m），該等式是假定天線各向同性且滿足遠場條件。30 MHz諧波在3 m處的FSPL約為11.5 dB, 在500 MHz時上升到36 dB，在5 GHz 時的FSPL已接近56 dB。使用先進的儀器、高增益天線和低噪聲放大器可以使測量系統覆蓋更寬的頻率範圍，但隨著頻率增加，將使儀器費用變得昂貴，測試系統變得更易損壞，複雜性也隨之增加。高增益測量天線也變得方向性很強，需要精確定位以捕獲信號。此外，使用低噪聲放大器時，會極大地限制測量系統的動態範圍，且須防系統過載。
圖3 雙脊波導喇叭天線（ETS-Lindgren Model 3117）的方向圖
許多設備會使用兩個頻段，是否一套測量系統也可同時支持 FR1 和 FR2 呢？39 GHz 的 FR2 發射機在3 m 時的 FSPL 為73.8 dB，若測量天線位置更近，例如1 m 時的 FSPL為 64.3 dB，再靠近一點，在10 cm 處的 FSPL 仍為 44.3 dB。由於39 GHz是基頻信號，它的諧波倍頻將產生更高的路徑損耗。測量39 GHz 的5次諧波的系統必須使用混頻器，並且它還得儘量靠近頻譜分析儀，否則會給系統帶來顯著的信號損耗，增加系統複雜度和成本。這些系統需要高增益測量天線和低噪聲放大器，但前面提到了使用這些器件有它們的短板。表1 列出了1~200 GHz 頻率範圍系統的路徑損耗、波長、天線增益和波束寬度的一些典型值。
波束控制天線的測量
從 EMC的角度來看，5G 最重要的技術是天線波束控制，當前的波束控制系統部署在高載荷的LTE基站上，例如機場、火車站或體育場內的基站。圍繞這項技術的關鍵包括波束賦形、多用戶 MIMO、大規模MIMO等，該技術是使用有源天線陣元系統在水平和垂直兩個方向實現指向性集中的信號傳輸系統，且這種描述更恰當。由於尺寸的原因，在FR1只能在基站側使用波束控制技術，但在FR2可在通信鏈路兩端均採用波束控制（例如，用戶設備和基站）。
如果被測設備使用波束控制技術，3λ 的近似遠場測試條件則不適用。如前所述，陣列天線必須考慮方向性增益。而且，最小遠場距離也是天線直徑的函數，而不僅僅是 λ 。到目前為止，手持無線設備天線增益很小，天線直徑小到可以忽略不計。陣列天線就不是這樣，必須使用夫琅和費方程來計算遠場，即大於 R=2D2/λ 為遠場（圖 2 中的實線垂直線），D 是天線陣列結構的直徑。圖 4 可以說明為什麼計算天線遠場對波束控制的天線系統如此重要，當測量天線靠近陣列時，每個陣元的波可以與另一個陣元區分開，只有在相當遠的距離處，波才會混合成均勻的平面波，才能精確地測量振幅。
圖 4 相控陣天線波形傳輸面
為了強調天線陣列直徑對測試距離的影響，可以假設FR1基站上波束控制天線陣列直徑 D 為0.5 m，2.5 GHz 時，其最小遠場距離為 4.17 m，則該測試只能在10 m的暗室內進行。以相同的頻率計算，當 D=1 m 時，最小遠場距離約 17 m ！因此，製造商在測試前必須公開陣列天線的直徑等關鍵信息。沒有多少獨立測試實驗室有 20 m的暗室，根據客戶標準對這類產品進行 RSE 測試可能很快會變成虧本生意。隨著市場發展，陣列天線可能出現在許多 5G 相關產品上，向製造商詢問這些信息將節省實驗室搭建和測試時間，更重要的是，可以避免在近場中測量，而得出遠場測量的設備性能合格的錯誤結果。
FR2 的天線系統必須使用波束控制技術，避免因路徑損耗過大，而無法在可用距離建立通信鏈路的風險。波束控制陣列必須具有高增益，並且必須對準“鉛筆”形窄波束，保障通信鏈路穩定。在24~50 GHz 內測量 EIRP 和 TRP 的測試系統必須平衡這些設備的所有要求。由於路徑損耗，需要較短的測量距離，但是採用波束控制的天線，測量精度又需要較大的空間。由於天線波束寬度和波長因素，需要在被測物周圍進行球面測量，可以構建遠場測量環境以滿足這些需求，但靜區的體積非常小，這意味著天線陣列的直徑只能達到幾釐米。一種替代方案是使用緊縮場（CATR）來測量FR2設備，CATR利用反射器將發射信號聚合在測量天線上，在較短的測量路徑長度內實現遠場條件。緊縮場往往還具有比相同尺寸的直射遠場暗室更大的靜區。因此，CATR中被測陣列尺寸可以更大，而且可以將路徑損耗控制在儀器可測量的動態範圍內。圖5顯示了直射遠場暗室和具有相似尺寸的緊縮場暗室的靜區，靜區尺寸是可以在暗室中測試的最大陣列直徑。CATR通常比遠場暗室更昂貴，並且需要額外的測試佈置時間，以滿足不同頻段被測物傳輸路徑聚焦要求。但是，緊縮場的靜區足以處理任何手機、平板電腦或筆記本電腦類型的設備，打算在FR2設備上提供EMC測量的實驗室應該開始探索哪種類型的系統最能滿足您的客戶群的需求。
（a）遠場
（b） 緊縮場
圖 5 39 GHz時遠場和緊縮場相似尺寸的暗室的靜區大小比較
波束天線的諧波輻射測試
有必要強調一下怎麼應對複雜 5G 設備的輻射信號檢測，因為應用了波束控制陣列天線技術，偏離主波束的方向會產生諧波分量。圖6是28 GHz陣列天線主波束的仿真方向圖以及諧波分量的方向和幅度。可以看出，即使找到基波信號的方向和峰值，諧波分量也可以指向其他方向；如果主波束轉換到新的矢量上，則所有諧波矢量也將變化。要測試多少鎖定位置的波束才能找到最壞的情況呢？
雜散發射測試的準確性要求需要了解陣列的數量和位置，以及控制它們的能力。現在已經佈網的一種為家庭提供互聯網服務的 FR2 設備，可以使用玻璃或壁掛式天線陣列，並且諧波分量聚焦於陣列波束內，波束動態調節也有控制諧波的能力。對於這種類型的設備，獲知陣列參數將極大地簡化被測物的擺放位置要求，並允許技術人員關注信號內容的可能區域。使用雙頻段的智能手機能夠將FR2波束轉向頭部、手部或障礙物，這將是測試的終極挑戰。兼容性測試可能會使用與一致性和性能測試相同的系統，因為所有測試必須通過輻射或空中接口（OTA）完成。低於 400 MHz的測試仍然需要一個大暗室，因此過去EMC和OTA之間有明顯區分，現在卻變得模糊，需要新的測試定義和流程。
圖 6 來自可控波束陣列天線的各諧波輻射雜散方向圖
結語
（1）發射裝置的輻射測試一直很複雜。陷波器和天線的變化，已覆蓋先前預期的40 GHz 跨度，但需要注意過程和程序，以獲得準確的結果。FCC Part 30將頻率擴展到了200 GHz，測試設備只是一個方面，每個設備的測試距離和定位技術都需要根據天線的情況進行調整；
（2）對於一些實驗室來說，投資專用的緊湊型天線測試實驗室很有價值。CATR可以覆蓋整個頻率範圍，通過自動定位和測量功能提供更準確的結果。這些天線系統傳輸的方向諧波和非常窄的波束寬度使得在大的遠場室中進行的測量是一種重複性較差的方法；
（3）5G是一個巨大的機遇，預計未來十年將售出數十億臺設備。希望所提供的信息能夠推動進一步的研究，並幫助實驗室做好成功迎接5G的準備。
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