天线远场和近场划分
对于天线辐射场的分布，可以将天线振子的场分为分为近区场，远区辐射场和中间区。
从发射天线发射出来的球面波经过一定距离的传播后到达待测天线，当待测天线接收平面上，最大相位差不超过22.5°，则可认为待测天线接收到的是近似平面波。近似到距离就是不小于 2D2/ƛ （D=天线最大尺寸，ƛ = 波长）。
OTA射频测试
OTA射频测试的方法主要有直接远场法、间接远场法、近场测试方法等。
1 直接远场法（ Direct Far Field, DFF）
天线特性通常在远场测量。近场区和远场区由 Fraunhofer距离
定义，其中 D 是最大辐射区域口径尺寸。远场测试在整机测试下对测试环境有较高要求。举个例子，一个尺寸为 5cm（Category 1）工作在 28 GHz的天线模块所需的远场测试距离为 0.47m。当一个尺寸为 15cm（Category 3）工作在 28 GHz的智能手机作为待测件时，远场测试距离为 4.2m。图 1 是一种常见的终端直接远场测试方法。
图1 UE 的直接远场测量测量设置
图 1 UE的直接远场测量测量设置，终端天线布局可以分为 3个 Category。根据天线布局，表1 给出针对三种不同情况下的终端设备，推荐采取的测试手段。
表1 三种终端天线布局下推荐测试手段
表1 三种终端天线布局下推荐测试手段
换言之，针对类别 1 和类别 2，设备供应商或制造商需要提供天线的确切位置，以便于进行天线的整体性能测试和整机辐射性能测试，例如波束赋形的水平。实际上，天线的确切位置对于设计和调试而言同样十分关键。不过，对于类别 3 而言，关注更多的是设备的整机性能。在这种情况下，天线的位置可以不必确切知道，测试时整个设备将会作为 “黑盒 ”处理，但测试静区要大于 15cm。不同频率不同天线口径下根据远场条件计算得到的远场距离和路径损耗在表 2 中给出。 表 2不同频率不同天线口径下的远场距离和路径损耗情况表
表2 不同频率不同天线口径下的远场距离和路径损耗情况表
从表 2中可以看到，在天线口径 D=5cm，频率 f=28GHz时，远场距离为 47cm，路径损耗值为 54.8 dB。随着天线口径的增加，远场距离迅速增加，这将增加远场暗室的尺寸和成本。同时，路径损耗也在相应增加。比如表中给出的在频率 f=100 GHz、远场为 167 cm下的路径损耗为 76.9 dB。远场距离的增加导致路径损耗的增加，这对测试系统的动态范围提出更高的要求。
2 间接远场法 (Indirect Far Field, IDFF) 间接远场的基本设想是在短距离内，在指定的静区范围采用物理方法建立远场条件。紧凑型天线测试范围（ CATR）或紧缩场测试范围使用反射器将球面波转换成平面波，反之亦然。由于静区大小取决于反射器特性而不是远场测试距离，因此只要选择合适的反射面，就能够建立一个比远场更紧凑的测试环境。
（1）紧凑型天线测试范围（ CATR）通过抛物反射面的方法创造出远场条件的测试方式叫做紧凑型天线测试(CATR）或紧缩场测试。
紧缩场测试方式如图 2 所示。为了在测试静区得到想要的平面波，紧缩场法通过反射器将球面波变换到平面波。这种间接测试方法是基于光学变换原理并且是互易的，也就是说设备的收发测试均可以通过这种方式进行。这种方法已经被 3GPP采纳，作为有源天线系统（Active Antenna System, AAS）基站侧（ Base Station, BS）的射频测量和 5G 终端射频测量的标准测试方法 [6]。紧缩场解决方案可以针对 FR2 中的所有频段。
图2 UE 端射频测量的紧缩场测试方案
这种测量方法的关键组成部分包括反射器、转台、测量探针天线和链路通信天线。
反射面的设计是紧缩场测量方法的关键，要采取合适的手段将边角的绕射效应降到最低。两种常用的手段是：锯齿状边角设计和卷边边角设计。采用锯齿状边角设计的抛物面，使得电磁场在抛物面反射器和自由空间中平滑过渡，从而减小了抛物面的边缘绕射，绕射波也将远离测量静区。锯齿长度视最低频率而定，典型值为 5倍于最低频率波长。卷边边角是将抛物面的边缘向后弯曲，这种结构上的光滑过度会降低抛物面反射器的边缘绕射。
转台系统可以调整标准双极化天线与待测设备之间的角度。转台系统必须可以有两维的旋转自由度。在紧缩场测试系统中，转台和待测设备一样，是放在测试静区内。静区内的电磁场变化较小，其范围大小决定了可以测量的设备的最大尺寸。静区的大小是由抛物面反射器的大小决定的。 馈源测试天线放在暗室的合适区域给抛物面反射器馈电。电磁波从馈源天线发出，经过反射面反射到测试静区，供给待测设备系统接收测试。相反，馈源接收待测设备系统发射，经过反射面反射的信号，完成发射测试。
紧缩场间接远场测试的优点是可以缩短远场距离，减小了路径损耗，同时又能形成远场情况下的平面波条件。上文曾提到过，设备的动态范围是 OTA测试的关键，尤其针对毫米波 系统的测试。大的传输损耗将会给设备的动态范围提出更高要求和挑战，采用紧缩场测试可以减小路径损耗，从而相较于直接远场法获得更大的动态范围。
（2） 平面波变换测试方法（PWC）
一维/二维PWC 短距暗室测量方法如图3 所示。它和紧缩场暗室测试方法十分类似。但不同的是，紧缩场暗室方法是通过馈源和反射面在测量静区形成的平面波，这里是采用特殊的一维探针天线产生平面波。这样的好处是既缩减了测试距离，同时又避免了紧缩场方案中抛物面反射器的设计难度。
图3 一维PWC 短距暗室系统测试设备EIRP 指标
探针系统是采用一维/二维天线阵列，阵列一端连接到矢量网络分析仪。通过优化发射单元的幅度和相位，在接收端形成垂直极化的平面波测试静区。由于无需进行近/远场的二次变换过程，这种测试方法不需要待测设备全部的俯仰角和方位角的场值信息。
3 近场（ Near Field，NF） 替代远场测试的另一种手段是采用近场测量，并通过近-远场数学变换（ NF-FF）的方法将近场数据变换到远场。这样，对测试场地的需求将大幅减小，同时，采用近-远场变换仍能保证和远场直接测量准确度相当的测试结果。 天线系统的辐射场区可以划分为三部分：感应场区、辐射近场区和辐射远场区 ,如图 12所示。同远场区相比，辐射近场区与远场区有相同的电磁场辐射模式，所以用近场测得的数据确定远场量是可行的。为了减小待测天线系统与测试探针天线之间的耦合，近场测量均是辐射近场区域进行而不是感应场区。 近场测量需要对待测系统的闭合辐射面（球面、球柱面、立方柱面）进行幅度和相位的空间采样测量，为的是利用这些数据进行傅里叶变换。 示波器的傅里叶变换功能 近场测量方式通常借助于矢量网络分析仪系统进行。矢网一端接待测设备，另一端接标准测试探针天线。对于5G 毫米波终端设备，通常情况下是没有办法将矢网一端口与天线端口相连接，在这种情形下，必须想办法提取出设备辐射口径面上的场值幅度/相位信息，才能进一步做近-远场变换。
近场测量需要对待测系统的闭合辐射面（球面、球柱面、立方柱面）进行幅度和相位的空间采样测量，为的是利用这些数据进行傅里叶变换。
近场测量方式通常借助于矢量网络分析仪系统进行。矢网一端接待测设备，另一端接标准测试探针天线。对于5G 毫米波终端设备，通常情况下是没有办法将矢网一端口与天线端口相连接，在这种情形下，必须想办法提取出设备辐射口径面上的场值幅度/相位信息，才能进一步做近-远场变换。
图4 天线近-远场的电磁仿真图
传统近场OTA测量技术步骤是首先测量包围系统近场辐射面上电磁波场值幅度、相位大小，然后进行近-远场变换（NF-FF）得到远场数据。近-远场变换需要知道近场辐射面上所有的幅度和相位信息才能得到远场的辐射方向图，这意味着远场数据只能在近场扫描之后完成。
尽管近场扫描加上近-远场变换技术已被广泛接纳并成为一种成熟可靠的间接测量远场辐射方向图的手段，但其仍然面对着一些挑战：
1）根据3GPP 的测试标准和定义的测试指标，诸如EIRP、EIS 等指标是针对特定辐射方向进行的。如果用传统的近-远场测试手段，在进行近-远场变换前，仍然要测量全部的包围面上的幅度/相位信息才行。
2）至今为止，NF-FF 变换只针单音连续波。如何将近场测量到的5G 宽带调制信号信息变换到远场，仍然是一个开放性问题，亟待研究解决。一种解决的手段是采用中场测量方案。
辐射中场定义
辐射中场（Mid-Field，MF,）定义为待测设备和测试天线的距离在待测天线阵天线单元的远场区，但在整个天线阵的辐射近场区。在这个区域内，波束的等效全向辐射功率（EIRP）和在远场情况下相同，方向图的零点位置也同远场方向图一致。这就意味着在中场距离测得的辐射方向图和在远场条件下测得的方向图大致吻合，但在不同波束指向下的增益值与远场测得的略有不同。所以天线阵的中场距离比近场稍远，通常在
之间，也即1/8 的远场。
另外，针对毫米波终端设备的产线测试，一种“极近场”技术也有相关研究。
终端设备产线测试的特点要求测试速度快、测试设备体积小、测试结果具有一定程度的准确性等特点，对OTA 测试技术提出了更大的挑战。“极近场”测试以期在单元辐射的感应近场区（Reactive Near-Field）实现阵列的诊断与射频指标的测试。但是，由于测试探头距离待测设备距离太近，可能会对待测设备的天线产生影响，影响测试结果。“极近场”探头的设计、测试结果中各种影响因素的去嵌、测试方法与测试系统的设计等都是“极近场”测试要解决的问题，这种方法成熟度相对不高。来源：是德科技
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