整车天线和OTA（空口性能）紧缩场（CATR）测试系统静区性能之研究

整车天线和无线性能（OTA）紧缩场（CATR）
反射板静区幅度相位特性

The QZ Performance of Compact Antenna Test Range(CATR)  Reflector for Vehicle Antenna and Wireless Performance(OTA) Test

摘要：当今的智能网联车辆支持众多需要高性能天线的无线标准，例如车联网（C–V2X），卫星导航 （GNSS）、胎压监测系统（TPMS）、无钥匙进入（例如UWB） 和蜂窝通信（4G、 5G）。 汽车零部件供应商和汽车主机厂的设计人员面临的挑战是在系统集成后确保天线模块和整个车辆的佳通信性能。常见的整车天线和无线OTA测试系统可按场型分为远场、紧缩场和近场。本文对RANLOS公司的一套紧缩场（CATR ）整车级天线和无线性能（OTA） 性能测试系统的静区性能做初步分析研究。

关键词：智能网联车，汽车天线，OTA，EMC暗室，远场，紧缩场，近场，反射板静区

Abstract: Today’s connected vehicles support numerous wireless standards that require high-performance antennas, such as vehicle-to-everything (C-V2X), satellite navigation (GNSS), tire pressure monitoring systems (TPMS), keyless entry (e.g. UWB), and cellular communications (4G, 5G). The challenge for designers at automotive suppliers and automotive OEMs is to ensure optimal communication performance between the antenna module and the entire vehicle after system integration. Common antenna and wireless OTA test systems can be divided into far, CATR, and near-field by field type. This article presents a Quiet Zone Performance of  Compact Field (CATR) Reflector from RANNLOS Sweden.

Keywords: Intelligent connected vehicles, antennas, OTA, EMC anechoic chamber, far field, compact field, near field, Reflector Quiet Zone

1. 引言

在汽车行业，随着CASE（车联网、自动驾驶、共享、电动化）技术 的发展，将加速实现以脱碳为目标的可持续发展社会。

国家有关部委的《智能汽车创新发展战略》，提出“人-车-路-云”系统协同发展的理念。作为支撑云控系统的关键共性技术之一，车载无线通信技术面临车体结构对天线辐射特征产生干扰导致收发信号差等诸多独特挑战。建立一套整车天线和无线性能测试系统无论是对研发、生产和整车检验，都非常必要。当今的车辆支持众多需要高性能天线的无线标准，例如车联网（C-V2X），卫星导航 （GNSS）、胎压监测系统（TPMS）、无钥匙进入（例如UWB） 和蜂窝通信（4G、 5G）。 汽车零部件供应商和汽车主机厂的设计人员面临的挑战是在系统集成后确保天线模块和整个车辆的佳通信性能。

1.1 整车无线性能测试必要性

• 整车天线的辐射性能和单体天线是有差异的，天线受到整车的遮挡、反射、衍射等，其方向图会发生剧烈变化
• 车壳也是辐射天线的一部分，因此需要通过整车测试来获取整车辐射方向图和收发特性
• 网联车是多个无线通信模块的集合，包括蓝牙、WIFI、GNSS、2、 3、 4 、5G、V2X等
• 整车内无线电的同时工作可能产生大的电磁干扰，进而影响彼此正常通信
• 对于电动车辆，其内部各个大功率器件都可能是无线器件的干扰源
• 车载无线模块的供电电源自身引入的电磁干扰
• GPS芯片灵敏度一般为-160dBm，然而车载终端的GNSS灵敏度一般在-140dBm，其中20dB衰减主要源自于其他器件的剧烈电磁干扰
• 整车情况下的无线模块电磁性能必须通过整车测试才能体现
• 复杂电磁传播环境的影响：车辆始终行驶在路面上，比如在沙土路面，柏油路面，丛林等，这种情况下的多径反射性能如何通过测试体现
• 多天线同时工作的MIMO OTA测试如何进行^{【2】【3】【4】}
• 测试的终目的是发现问题、定位问题和解决问题
• 从天线测试结果中可以得到辐射方向图，天线增益、效率等
• 从接收机测试中可以得到接收机灵敏度（SISO OTA性能指标）
• 从干扰测试中可以得到各个部件之间的电磁串扰
• 从多天线MIMO场景测试中可以得到车对不同环境的适应性^【1】
  • 整车天线&OTA性能测试的挑战
• 整车尺寸大，天线可能位于车辆任何偏心位置，直接远场无法实现（6m整车的直接远场在频率6G对应几百米以上），如何获取辐射方向图是一个挑战
• 目前比较主流的方案是球面近场测试加近远场变换，然而传统的近远场变换不适合解决大被测件偏心情况，有如下问题：
• 探头波束宽度
• 探头交叉化比
• 探头对称性
• 整车收发性能测试方案
• 车辆行驶路面环境模拟材料欠缺
• 整车干扰测试方案需要完善

2.  测试场的划分

天线向外发射电磁波时，其电磁场可以划分为近场和远场。近场区和远场区由距离R/λ，其中r 是大天线口径或尺寸，λ为对应频率的波长。例如，一个工作在2.7 GHz, 辐射口径为0.5m的天线，其远场距离根据上述公式为4.5m.^【2】

测试场型可以宏观的分为远场和近场。其中，远场又可分为直接远场和间接远场。间接远场包括基于反射面技术的紧缩场和基于平面波转换技术的紧缩场。近场有3种典型的扫描策略，分别为平面、柱面和球面扫描法。3GPP针对有源天线系统（ASS）测试环境提出了专门的技术要求。

• 直接远场（DFF）

测试距离满足R/λ， 直接测量平面波的场强。直接远场的测试环境搭建和维护比较简单。但对于整车而言，所需要的测试距离较远，暗室的占地面积较大，因而测试环境的空间成本较高。另外，从信号损耗的角度来讲，大型远场对信号的衰减较高，这会影响系统的动态范围，造成某些射频指标的测试困难。

• 基于金属反射面的紧缩场（CATR）

CATR的原理是将馈源发送的球面波经过一个金属抛物面发射后，转换成平面波，从而在测试区域形成幅度和相位稳定的静区，也就是远场所需的条件。这种方法能够有效缩短直接远场的测试距离。虽然CATR反射面的加工维护成本较高，但可以运用于整车系统OTA测试。

• 基于平面波转换器的紧缩场（PWC）

利用天线阵代替测量天线，使得天线阵列在DUT区域中生成平面波，从而减小远场所需距离。

• 近场

一般是在暗室内进行，通过不同的扫描方式，如球面、柱面、平面等，对被测件表面上的电磁场相位和幅度进行精确采样，然后通过傅里叶频谱变换原理获得远场数值。

如上所述，目前行业内对于整车级车载天线和无线通信性能的测试，通常采用基于直接远场及间接远场的传统测试方案。

直接远场的测试方案，对于整车级待测设备（均大于2.5米，甚至9米到12米大巴车），需要几百米的测试距离，这就需要大的暗室尺寸，并产生比较大的路径损耗，系统动态范围也受限制。

另一种方案是基于近场测试+近远场变换的测量方法。在天线近场区利用采样探头，在整车辐射近场区对车载天线辐射场的幅值和相位进行采样，并通过近远场变换算法计算得到整车级天线远场辐射特性。相比于直接远场及紧缩场的测量方法，该方案能够在较近的测试距离内完成整车级天线辐射特性的测量，具有相对较高的测试效率，并且能够大幅降低所需的暗室建设成本。

该近场测试方案的缺点在于：

• 需要相对较大的暗室、转台尺寸及转台承载能力，新建暗室成本较高；
• 近场测试对于车辆转台及探头摇臂/滑轨有较高的精度要求；
• 部分滑轨系统只能满足俯仰面0-100°角度范围内的采样，无法进行全球面采样。
• 另外，上述方案均存在测试布置比较复杂的问题，如放置地面吸波材料和屏风，需要大量测试准备及实施的时间。

瑞典RANLOS公司推出一套简单的紧缩场测量系统，该装置包括：反射板、馈源、接收天线、仪器和软件等，能够实现整车无线通信天线的远场辐射性能测试。^{【3】【4】【5】}

3. 紧缩场测量方案

图1 RanLOS 紧缩场

●紧缩场，即CATR （Compact Antenna Test Range）

●利用抛物面反射板，创建远场环境

●将球面波转化为平面波

4. 紧缩场静区性能
紧缩场系统由于纵向尺寸小、工作频段宽、静区干扰电平低、静区性能好等优点，RanLOS开发了一种独特的专利整车OTA测试系统，包括用于测量整车天线性能指标和无线通信质量的硬件和软件。该系统是可移动的，因此可以很容易地在现有的半电波暗室中进出，就像许多汽车制造商已经拥有的EMC暗室一样。该系统与大型的全电波OTA实验室相互辅助，可以对整车天线和OTA系统进行数据测试对比，是一种简洁方便的整车研究开发系统工程工具，可以定期检测天线性能和通信连接质量，特别适应于整车测试。该系统设计是面向未来的整车OTA测试需求，它可以根据无线电通信系统如3G、4G或5G以及辅助测试仪表等需求，简单更换馈源阵列即可扩展频率范围。

紧缩场测试系统的建设除了紧缩场反射面及其馈源外，配套的微波暗室建设也很关键。用户非常关心紧缩场对暗室尺寸的需求，特别希望能够根据紧缩场的静区尺寸简单估算微波暗室的尺寸。

然而实际上，紧缩场的设计是需要按照Maxwell方程组，根据静区口径尺寸、静区性能等技术指标要求，通过仿真计算综合才能得到紧缩场反射面、焦距以及静区位置等参数，然后再根据其他限制条件对紧缩场在微波暗室中进行布局，得到微波暗室的尺寸需求。这样的计算和布局，还需要考虑到紧缩场的低工作频率、被测目标的类型（天线、天线罩、RCS等）、转台的类型（天线的自由度数量、RCS泡沫支架及其转台、低散射金属支架）和数量等。^【6】

有关紧缩场在微波暗室中的布置示意图如下：

图3 紧缩场微波暗室布置示意图

4. 1 紧缩场静区纹波性能
对于紧缩场静区，实验室用户特别关注整个测试静区内的电磁幅度纹波水平，分别对应于不同截面位置，如左、中、右三处进行纹波测量。
为了验证本紧缩场测试系统的静区纹波特性，搭建了如下图4所示的测试系统，将偶子天线安装在聚苯乙烯泡沫塑料柱上，天线高度约为1.3米（静区为直径2.5米圆柱形状），地面安装导轨，使得天线在 CATR反射器静区内，从-70 厘米到 +70 厘米的范围内从左到右平行移动。测试频率设定为2.3GHz。

图4 暗室现场反射面系统图

图5 紧缩场静区示意图

图6 紧缩场静区性能测试系统图

通过将 VNA 的一个端口连接到RanLOS反射板输入端口，将信号送到馈源阵列，由此发出的球面波，入射到反射板而产生近似平行电波，照射到聚苯乙烯泡沫塑料柱上偶子天线，将天线输出到VNA另一个端口，来测量电磁波信号电平，从而获得反射板静区内纹波曲线图。以静区中心点为0点位置，在-70 厘米到 +70 厘米的范围内，从左到右平行移动偶子天线，电平测量结果如下图：

图7 紧缩场静区性能水平化纹波示意图

图8 紧缩场静区性能垂直化纹波示意图

从上图数据可以看出，在本紧缩场静区范围内，接收电平波动非常小，纹波幅度差≤±2dB，表明静区内平行电磁波幅度特性稳定，满足测试场地技术指标要求。

4. 2 紧缩场静区相位偏差性能
为了验证本紧缩场测试系统的静区相位偏差特性，搭建了如下图9所示的测试系统，将偶子天线安装在聚苯乙烯泡沫塑料柱上，天线高度约为1.3米（静区为直径2.5米圆柱形状），测试频率设定为2.3GHz，分别测试将天线放置在转台中心和距中心偏移 50 cm 位置时的辐射方向图。

图9 天线偏离中心50cm 示意图

图10 静区中心与偏离50cm天线方向图对比

从上图数据可以看出，在本紧缩场静区范围内，在天线处于不同位置（偏离中心50cm），对不同转台角度的天线方向图进行比较，其相位差≤±22.5°，表明静区平行电磁波相位峰值偏差特性稳定，满足测试场地技术指标要求。

4. 3 紧缩场CATR与标准3米法静区性能对比

为了更直观体现本紧缩场静区特性，特别将紧缩场反射板静区特性，与采用标准3米法测试环境静区特性做了比对，采用宽带喇叭天线3117作为比对天线。将偶子天线安装在聚苯乙烯泡沫塑料柱上，天线高度约为1.3米，测试频率设定为2.3GHz，分别测试将天线放置在转台中心和距中心偏移 50 cm 位置。
4.3.1 紧缩场水平化比对3米法

图11 紧缩场水平化对3米法

从上述水平化波电平纹波和相位偏差2图，可以看出，对于反射板天线静区和宽带喇叭天线3117，接收电平幅度纹波相对较小，而相位差波动非常大，从而表明，反射板天线静区幅度和相位特性是相对稳定的，适合于作为测量场地。而与之对应的宽带喇叭天线3117，由于不具备产生足够大的静区，而无法直接用于对整车天线性能进行测试。

4.3.2 紧缩场垂直化比对3米法

图12 紧缩场垂直化对3米法

从上述垂直化波电平纹波和相位偏差2图，可以看出，基本与水平化相似，对于反射板天线静区和宽带喇叭天线3117，接收电平幅度纹波相对较小，而相位差波动非常大，从而表明，反射板天线静区幅度和相位特性是相对稳定的，适合于作为测量场地。

以上测试数据可以看出，本紧缩场静区技术指标：幅度纹波差≤±2dB,相位峰峰差≤±22.5° , 满足GJB8480-2015“紧缩场性能测量方法”、JJF（军工）133-2017 “紧缩场静区平面波幅相特性校准规范”等要求。

5. 结论

本文结合实验室测试环境，对RANLOS公司的紧缩场反射板静区特性做了初步分析和介绍，这是该紧缩场方案用于整车进行天线和无线OTA（空口性能）测试前，对该套系统测试静区进行评估，判断是否符合测试要求，为后续系统校准提供可靠依据。

本系统已在多个不同场景运行，性能稳定可靠，操作简单，系统连接易于实现，是目前对整车天线和无线通信性能（OTA）进行评估测试的有效方案。

结束语：智能网联汽车发展非常迅速，各种测试方案和测量设备不断更新换代，随着无人驾驶时代的到来，也会对整车性能测试提出更高的要求，我们将不断完善解决方案，更好满足未来整车天线与无线性能 OTA 测试需求。