工業技術研究院 資訊與通訊研究所 侯信安 王逸婷 李威廷 高鈺涵 劉俊男

前言

為滿足無線通訊市場對高傳輸頻寬與覆蓋率要求通訊系統逐步往巨量多輸出多輸入（Massive MIMO）、毫米波頻段與低軌衛星通訊系統發展。然而，上述通訊系統性能高度與天線特性、應用場域無線通道特性以及空氣電磁波傳播特性關，尤其是包括射頻前端模組到天線，傳導測試無法確認包括天線與空氣電磁波傳播特性在系統上整體效應，因此應用多天線系統，包括巨量多輸出輸入、毫米波／釐米波、與衛星通訊系統來說，空中測試是開發產品中必要過程。本文依序以空中測試技術基本介紹(含近場與遠場、隔離室種類、測試項目和網格）、非信令射頻一致性測試、與業務測試與安全性測試介紹無線系統空中測試技術。

基本空中測試技術介紹

近場與遠場（Near Field Far Field）

空中測試主要是使用電磁波遠場特性，理想中的遠場為平面波，其相位與震幅在同角度同方向一致，電場與磁場呈現正交且波阻抗符合自由空間中的特性阻抗，功率密度滿足坡印廷向量條件，。在有限空間無法實現完美的平面波，實務上認為中心點與待測物邊緣接收波的相位小於 或，即可滿足遠場條件。依據這一條件和待測物的直徑D，可以計算出所需的遠場最小距離（也稱為弗勞恩霍夫距離Fraunhofer distance）為 。假設天線為長方形，針對四階相位誤差為，可以得到輻射近場最小距離（也稱為菲涅耳距離Fresnel distance）為 [1]。
圖 1 為電磁波傳播近場與遠場示意圖。可分成反應性近場（Reactive Near Field）、輻射近場（Radiated Near Field）與遠場（Far Field）。反應性近場由於電場和磁場強度之間的關係通常過於複雜，難以預測與測量。輻射性近場則可以通過軟體或硬體進行傅立葉轉換，從而轉換為遠場。

圖 1 近場遠場示意圖，來源R&S[2]

隔離室種類

目前被國際標準組織（the 3rd Generation Partnership Project, 3GPP／Cellular Telecommunications and Internet Association, CTIA） 認可的測試方法包括直接遠場（Direct Far Field, DFF）、間接遠場（Indirect Far Field, IFF）、近場遠場轉換（Near Field to Far Field Transformation, NFTF）等三種方法[4]-[12]。

1. 消聲室（Anechoic Chamber, AC）

圖 2 消聲室示意圖[6]-[9]

圖 2 是消聲室的示意圖，該消聲室採用了直接遠場設計。直接遠場測試中，傳統遠場電波暗室的最小遠場測量距離R需要根據前述的遠場公式進行計算。。對於更大的天線尺寸和更高的頻率範圍，量測的距離會非常的大，路徑損失也隨之變大。導致電波暗室成本上升。

2. 近場（Near Field）

近場至遠場轉換系統可測量待測物周圍表面上的振幅和相位。遠場模式是透過模態球面波擴展獲得。近場到遠場的轉換是用軟體以惠更斯（Huygen）原理為基礎。透過在距離待測物無限遠的表面上邊界條件下， Helmholtz 方程的直接解。從表面上的切向場，可以利用模態擴展的正交性來決定模態係數。近場至遠場轉換系統使用電磁輻射近場傳播特性，量測天線與待測物必須大於菲涅耳距離。

圖 3 (A) 惠更斯原理適用於平面波和球面波。波前AA′ 上的每個點都可以被認為是球面波的輻射體，球面波以速度c向外擴展，在時間t後傳播距離ct。二次波陣面BB′ 由來自波陣面AA′的所有波幅的相加形成。(B) 惠更斯構造的透射光柵衍射波。通過從光柵的每個狹縫添加球面波來構建波前。在給定狹縫處發射的波相對於來自相鄰狹縫的波延遲一個完整週期。

沿著 (A) 圓形波和 (B) 平面波的前沿，小波重新組合產生傳播波前。(C) 惠更斯小波引起的拐角周圍聲音的衍射。

圖 3 惠更斯原理[13]

近場到遠場的轉換分兩個步驟進行：

先在一組正交基準函數上展開投影測量的近場，以評估轉換的頻譜：E_meas(r) = Spectrum * F_basis(r)。等效遠場E_FF計算使用先前計算的頻譜，並在r ® ∞評估基準函數：E_FF = Spectrum * F_basis(rà∞)。量測角度（Δϕ，Δθ）取樣準則必須分別符合Nyquist條件，與，才能獲得足夠的測量點，使近場到遠場的轉換不會因為取樣率不夠而失真。

除了圖 4所示的軟體方法來實現近場到遠場的轉換外，也可以用圖 5中的常見的菲涅耳透鏡、反射板、平面波合成器等硬體實現近場到遠場的轉換。

圖4 近場遠場轉換軟體實現，來源R&S[2]

圖5 近場遠場轉換硬體實現，來源R&S[2]

3. 縮距場天線量測系統（Compact Antenna Test Range, CATR）

圖6 縮距場天線量測系統[6]-[9]

縮距場天線量測系統（Compact Antenna Test Range, CATR）是一種近場到遠場的轉換技術，以間接遠場方式，使用拋物面反射板（Parabolic Reflector）產生平面波。高指向性天線當作量測天線形成的遠場量測環境，輻射出球波，經過拋物面反射面天線的反射之後會產生平面電磁波（均勻的大小和相位），反向亦然。使用電磁輻射近場傳播特性，量測天線與反射板以及待測物與反射板距離都必須大於菲涅耳距離。

拋物面反射板邊緣有電磁波繞射及散射的現象產生，會造成靜態區域（Quiet Zone）相位與振幅不穩定而縮小等效可量測的待測物大小。解決方案為使用鋸齒邊緣（Serrated Edge）以及彎折邊緣（Rolled Edge）降低電磁波繞射及散射效應。如圖 7所示，經由彎折邊緣處理後的反射板，明顯改善靜態區域因電磁波繞射及散射效應造成相位與振幅不均問題。

圖7 反射板邊緣效應，來源R&S[2]

系統設計參數為：待測物直徑大小為D 公尺。拋物面反射板直徑為2D。R焦距距離 = 3.5×拋物面反射板直徑=3.5×(2D)。由於反射板特性，自由空間路徑損耗(4πd/λ)^2，中的d，以量測天線到反射板之間距離計算(4πR/λ)^2。表 1比較消聲室與縮距場天線量測系統自由空間路徑損耗，明顯看出，當頻率上升或待測物大小尺寸增加，使得消聲室所需遠場距離增加，自由空間路徑損耗也隨之增加，產生儀器量測靈敏度不足需要額外添加放大器來達到測試要求，增加成本與量測不確定性。不需要重建多角度電波方向與通道特性測試，如元件量測與非信令射頻一致性測試，使用縮距場天線量測系統能提升空間使用效率，且降低量測不確定性。

圖8 縮距場天線量測系統工作原理[7]

表 1 消聲室與縮距場天線量測系統自由空間路徑損耗比較表

測試項目

空中輻射測試坐標系採球面座標。ANSI／IEEE Std 149-1979 定義之標準天線量測球面坐標系如圖 9所示，滿足右旋坐標系統。圖 10為空中輻射測試使用的天線量測術語與關係。

圖 9 IEEE Std 149-1979球面坐標系

圖 10 IEEE Std 145-2013 天線量測術語表與關係圖

1. 等效全向輻射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP）

等效全向輻射功率（EIRP）表示給定方向上的絕對輸出功率。如果未定義方向，則表示最大輻射強度的方向。EIRP 是理想的全向輻射源在指定方向上達到相同功率密度所需的輸入功率。用天線接受的功率（PO）乘以特定角度天線增益（GT( θ, ϕ )）表示EIRP( θ, ϕ ) = POGT ( θ, ϕ )，或全向輻射功率（PR）乘以指向性（D ( θ, ϕ )）。

2. 總輻射功率（Total Radiated Power, TRP）

總輻射功率(TRP)是基地台輻射的總功率，定義為每個角度的輻射強度積分於天線周圍的整個球面。

其中，為坡印廷向量的時間平均值 (平均功率密度) 或電磁場的功率通量。平均功率密度，單位為為 封閉曲面的積分單位面積，在球體座標上。為dS積分單位面積法線向量，。

在遠場極限(即 r→∞），與由切向分量和和徑向分量組成，在遠場條件下，徑向分量小到可以忽略。且是真空的特性阻抗，阻抗。因此，TRP 方程變成

又，輻射強度，單位為單位為W/Steradian則

實際估計會以離散方式計算，分成定間隔網格、定密度網格、三角網格、與費式網格等。不同網格方式影響到量測速度與量測準確度。後面章節會針對網格進一步討論。

3. 輻射圖（Pattern）

輻射圖（Pattern）代表了一個天線產生的電磁場空間分佈。對於對等天線，發射 和接收模式是相同的。輻射圖可以表示為 3D 圖、2D 圖樣切割或數學函數。輻射圖呈現量 與天線的輻射強度 I ( θ, ϕ ) 成正比。通常用指向性、增益或 EIRP來表示輻射圖。

天線性能通常使用其主要 E 平面和 H 平面圖案來描述。這些都是單一空間坐標函數的二維輻射功率表示。此空間坐標取決於天線的極化方向。對於線性極化天線，E 平面圖案定義為包含電場向量和最大輻射方向的平面。H 平面是包含磁場向量和最大輻射方向的平面。

指向性 （Directivity）指向性（Directivity）描述天線的功率如何指向某個方向。它是特定方向的輻射強度與總輻射功率等向輻射時所產生的輻射強度之比，。當方向( θ, ϕ ) 未給出時，則暗示最大輻射強度的方向。

天線增益（Gain）天線增益（Gain） 是用來描述天線的最常見參數。增益是特定方向上的輻射強度與接受功率（PO）等向輻射時所產生的輻射強度之比，。

4. 天線輻射效率（Efficiency）

天線輻射效率（Efficiency） η 描述天線 PR 輻射的功率(或是 TRP)與天線 PO 接受的功率之比。輻射效率只計算天線本身的損耗（如導電或介電損耗），。

5. 等效全向靈敏度（Equivalent isotropic sensitivity, EIS）

等效全向靈敏度（EIS） 描述全向性裝置的靈敏度，等同於待測物接收於來自定義到達角的入射波的靈敏度，。輻射靈敏度對應於無線電接收器空中輻射輸入所需的最小訊號功率，以符合空中連結的最低效能標準（通常以位元、區塊或幀錯誤率表示）。

OTA 參考靈敏度功率等級（EISREFSENS ) 是輻射介面上接收到的最小平均功率，在此等級下，指定的參考測量頻道應符合參考性能要求。測試目的在於驗證基站在 EIS REFSENS 電壓準位下是否能符合指定測量頻道的最小吞吐量要求。

6. 品質因數（Figure Of Merit, FOM）

在通訊接收裝置來說，品質因數（FOM）是雜訊係數(Noise Figure, NF)，用來表示由訊號鏈中的元件所引起的訊號雜訊比（Signal to Noise Ratio, SNR）下降的程度，用於評估放大器或無線電接收器的性能，數值越低表示性能越好。

雜訊因數定義為在標準雜訊溫度T0，裝置的輸出雜訊功率與可歸因於輸入終端中的熱雜訊的部分的比率。因此，雜訊係數是實際輸出雜訊與裝置本身未引入雜訊時剩餘雜訊的比率，相當於輸入 SNR 與輸出 SNR 的比率。噪音係數和噪音係數相關，前者是無單位的比值，後者是噪音係數的對數，單位為分貝（dB）。弗里斯（Friis）噪音公式提供多級串接的總雜訊係數為

可以等效以雜訊溫度來表示，。後者在衛星系統鏈路計算中，以效益指數（Antenna Gain-to-noise-temperature, G／T）表示[16]。

網格

1. 定間隔網格

定間隔網格中，θ和 ϕ方向的網格間距是均勻的。從 0 到 π 的 θ 角範圍分為 N 個等距區間，而從 0 到 2π 的 j 角範圍分為 M 個等距區間。θ角和ϕ角中每個子節間的間隔為與。角度取樣點的總數等於 (N+1)×M。讓 n 和 m 分別用來表示第 n 個 θ 角和第 m 個 ϕ 角。實際上，EIRP 的離散取樣是在每個取樣點θn,ϕm，透過測量其兩個正交極化分量EIRPp1θn,ϕm和EIRPp2θn,ϕm 。然後利用 EIRP 樣本，將 TRP 的積分近似為在不同 θ 和 ϕ 角度測得的 EIRP 的離散平均總和。

有兩種方式解決傳統定間隔靠近球座標極點時誤差問題。

透過𝜙 角步驟大小可根據公式作為𝜃 位置的函數而改變，如𝑁𝜙 (𝜃) = 1 + int{[𝑁𝜙 (90°) - 1] sin(𝜃)}，可將測試時間縮短多達 25-35%，並解決頂點量測問題。則修正後的TRP為

另一種方式是將使用Δθsinθ用Clenshaw-Curtis求積法預先計算出來的權值函數 W(𝜃) 取代，可將總和延伸至包括極點。則 TRP 為

2. 定密度網格

用球面定密度網格時，球面會被分割成 N 個等面積的區域。讓 n 為第 n 個區域的索引，每個區域的中心都有一個點(θ_n,ϕ_n )。TRP為

定密度通常使用正六邊形做為一單位計算，但球面上不是每個位置都可以等面積的正六邊形， Voronoi等距多邊形取代正六邊形，以帶電粒子網格或標準螺旋網格設計量測位置。

3.三角網格

三角網格常用於有限元素分析法重心坐標系(Barycentric coordinate)三角網格，是將曲面 S 視為由一組無限小的三角形組成。知道三角形範圍內的三個測量樣本 [EIRP0,i、EIRP1,i、EIRP2,i]，ξ=[0,1-η]和ξ=[0,1]，就可以得到 〖EIRP〗_i (ξ,η)=〖EIRP〗_(0,i)+(〖EIRP〗_(1,i)-〖EIRP〗_0,1 )ξ+(〖EIRP〗_(2,i)-〖EIRP〗_(0,i) )η。則

經雙重積分，，TRP 近似

圖 11 重心坐標系下三角曲面表示法[7]

4. 網格疏密

為達到輻射圖量測中 0.5 dB 的「波束峰值搜尋」系統誤差，建議使用下列網格參數進行波束峰值搜尋： 等密度網格（使用帶電粒子實作），至少有 800 個網格點。 定間隔網格，至少有 1106 個網格點，相對應的角度步距為 7.5º。

EIRP 球面測量可以在不需要將波束峰值放置在網格點上的情況下進行。為了合理權衡測量的不確定性，建議球面覆蓋網格使用至少有 200 個唯一測量點的測量網格。換言之，定密度網格（使用帶電粒子實作）至少有 200 個網格點的， 其STD 為 0.11dB 且平均誤差為 0dB。 定間隔網格至少 266 個網格點的，其STD 為 0.12dB 且平均誤差為 0dB。

EIS 球面覆蓋測量無需將光束峰值放置在網格點上即可執行。為了合理權衡測量的不確定性，以球面覆蓋網格使用至少有 200 個唯一測量點的測量網格。換言之，，定密度網格（使用帶電粒子實作）至少有 200 個網格點，其 STD 為 0.1dB 和平均誤差為功率測量間距。定間隔網格至少 266 個網格點，其 STD 為 0.12dB 且平均誤差為 DL功率測量間距。

輻射圖波束峰值搜尋與EIRP球面覆蓋的疏密度不同，可以使用與球面覆蓋相同之網格密度，再根據量測結果針對波束峰值附近增加量測密度以提升整體量測速度。

非信令射頻一致性測試

圖 12 顯示一般通用型通訊產品開發流程。在雛形開發階段進入產品開發階段，需要進行射頻一致性測試（Radio Conformance Test, ，RCT ）、協定一致性測試（Protocol Conformance Test, ，PCT ）、前互通性測試（Pre-Inter-Operability Testing, ，Pre-IOT）、網路營運商互通性測試（Network Vendor Inter-Operability Testing, ，NVIOT），與場域測試（Field Test）。在前互通性測試中，會根據網路營運商互通性測試與場域測試結果與情境，回饋到實驗室重現對應的情境，以控制變數的方式，確認產品效能。因此，非信令射頻一致性測試為待測物射頻性能的確認，做為銜接後續包含協定一致性測試，互通性測試與場域測試的基石。

圖 12 通訊產品開發流程

工業技術研究院（以下簡稱工研院）、與羅德史瓦茲台灣分公司，合作應用訊號SMW200A向量產生儀與FSW40向量訊號分析儀等設備，於量測中心所建置具標準天線與射頻元件量測，並適用3GPP OTA RCT 之ATS1800C 3GPP 5GNR毫米波合規緊湊型之OTA隔離室下，完成工研院開發之毫米波5G O-RAN微基站系統非信令射頻一致性測試。測試設定為，在中心頻率28.7001 GHz，子載波間距120 KHz、頻寬200 MSPS、2T2R，測試內容包括表2 發射特性與表 2接收特性。測試技術包括 EIRP、TRP、EIS、與不同測試範本。其部分測試過程如圖 13所示。

表2 發射特性[14]

表2 接收特性[15]

圖13 非信令射頻一致性測試

業務測試

1. 應用場域重建

實際基地台商業布建時，接收到的終端裝置的射頻訊號來自各種角度，以不同速度，不同距離，不同通道環境與基地台進行資料傳輸。傳統單一固定方向的空中輻射測試環境，不足以重建實際運作下，基地台的性能。

因此，為了在實驗室受控環境下、實際驗證多方向波束場型干擾情境下、測試基地台接收性能、服務能力與增加量測樣本獨立性下，基於消聲室遠場原理，為達到通道模擬、多方向角度傳輸、不同通道特性和取樣樣本等等不同無線電傳輸環境，有以下不同的實驗環境建置，分別為圖 14輻射兩階段（Radiated Two Steps, RTS），圖 15多探棒電波暗室（Multi-Probe Anechoic Chamber, MPAC），與圖 16電波迴響室（Reverberation Chamber）。其中多探棒電波暗室最能重現應用場域的操作環境。CTIA 基於多探棒電波暗室，開發出多方向訊號干擾比量測與控制的開放迴路空間多工的多輸出多輸入接收性能測試評估（MIMO Receiver Performance Assessment（Open-Loop Spatial Multiplexing）與可變參考量測頻道 MIMO 傳輸量測試（Variable Reference Measurement Channel MIMO Throughput Test）。包括Signal to Interference Ratio （SIR）Control for MARSS Measurement、MIMO average radiated SIR sensitivity（MARSS）等測試項目。

除此之外，CTIA 不同的操作模式，如手持、電腦、手錶等，也定義不同的使用情境的測試規範，但不在基站測試範疇，故略。

圖 14 輻射兩階段[6][9]

圖 15 多探棒電波暗室[12]

圖 16 電波迴響室[8][9][11]

即使消聲室成本極大，但在重現通訊系統高度與天線特性、應用場域無線通道特性以及空氣電磁波傳播特性整體效應，以評估待測物在實際場域運作效能，仍是不可或缺的必要措施。

2. 安全性

射頻裝置空中輻射安全性，主要分成兩部分，一是針對人體安全性的電磁波能量比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR），另一種是針對設備安全性的電磁兼容（ElectroMagnetic Compatibility, EMC）。

電磁波能量比吸收率，主要是針對天線近人體20公分以內，含無線發射功能的產品進行人體吸收 射頻能量速率的測試。電磁波能量比吸收率是衡量人體從被測源（例如手機）吸收射頻能量的速率的量度。 SAR 測試乃用於測量在人體一定距離內，使用移動無線設備時人體暴露在射頻環境的方法。 SAR測試可確保此類設備符合全球各個國家和地區監管機構制定的安全指南，然後才能在這些市場上銷售。根據 FCC及CE的測試規範，SAR 測試需使用液態的人體頭部和身體標準化模型，模擬不同人體組織的 射頻吸收特性。

根據 FCC及CE的測試規範，SAR 測試需使用液態的人體頭部和身體標準化模型，模擬不同人體組織的射頻吸收特性。

電磁兼容（ElectroMagnetic Compatibility, EMC）的目標是在相同環境下，涉及電磁現象的不同設備都能夠正常運轉，而且不對此環境中的任何設備產生難以忍受的電磁干擾之能力。電磁相容涵蓋電磁干擾（electromagnetic interference, EMI）和電磁耐受性（electromagnetic susceptibility, EMS）；電磁干擾為電磁場伴隨著電壓、電流的作用而產生，電磁耐受性為產品在使用過程中不受周遭電磁環境影響的能力。

結論

儘管目前業界對於標準空中輻射測試已經相當成熟，但針對新穎的應用場域（如低軌道衛星、巨量多輸出多輸入），或商業運行的情境重建，如多叢集終端裝置移動切換基地台、多叢集終端裝置移動多角度空間多工傳輸量測、低軌道衛星通訊情境測試等非合規測試，卻是商業運行前系統調校的必要步驟，需要客制測試方案。工研院基於長期以來O-RAN微基站系統的開發與測試經驗，針對客戶毫米波、衛星、巨量天線等不同產品，設計空中輻射測試方案，滿足客戶不同場域驗證需求。

感謝量測中心標準與物理計量技術應用組 電磁與通訊計量研究室 與 羅德史瓦茲 台灣分公司 對空中輻射測試的協助與支持。

參考文獻

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[3] Alexander Nähring, “Demystifying over-the-air (OTA) testing - important antenna parameters, test system setup and calibration,” white paper,ver.1.0, March, 2019.
[4] 3GPP TS 38.141-1: “NR; Base Station (BS) conformance testing; Part 1: Conducted conformance testing.”
[5] 3GPP TS 38.141-2: “NR; Base Station (BS) conformance testing; Part 2: Radiated conformance testing.”
[6] 3GPP TR 38.810: “NR; Study on test methods.”
[7] 3GPP TR 37.971: “Radio Frequency (RF) conformance testing background for radiated Base Station (BS) requirements.”
[8] 3GPP TR 37.145-2: “Active Antenna System (AAS) Base Station (BS) conformance testing; Part 2: radiated conformance testing.”
[9] CTIA, CTIA-01.20-Test-Methodology-SISO-Anechoic-Chamber-V6.0.0.
[10] CTIA, CTIA-01.21-Test-Methodology-SISO-Reverberation-Chamber-V6.0.0.
[11] CTIA, CTIA-01.40-Test-Methodology-MIMO-Static-Channel-Model-Multi-Probe-Anechoic-Chamber-V6.0.0.
[12] CTIA, CTIA-01.73-Supporting-Procedures-6.0.0.
[13] Huygens’ principle, https://www.britannica.com/science/Huygens-principle.
[14] Christian Wicke, Fabian Bette, “5G New Radio Over-The-Air Base Station Transmitter Tests,” Application note, GFM324, ver. 1e, June, 2020.
[15] Christian Wicke, Fabian Bette, “5G New Radio Over-The-Air Base Station Reciever Tests,” Application note, GFM325, ver. 1e, June, 2020.
[16] 林福林，“探討接收系統等效雜訊底層 26招功夫逐步破解雜訊指數”，新通訊元件雜誌第236期，2020年10月。