5G基站的电磁特性检测

PERSPECTIVE

王守源

中国信息通信研究院

泰尔系统实验室电磁场与安

全技术部主任、高级工程师，

2006年取得北京邮电大学工

学博士学位。主要从事通信设

备安全与电磁兼容、节能、天

线和射频技术的检测和标准化

的研究工作，发表论文20余

篇。主持或参与制定的标准

有：YD/T 965-2013、YD/T

2325-2011、YD/T 3698.1-

2020、YD/T 3698.2-2020、

GB 4943.1-2011、GB 8898-

2011、YD/T 2583.17-2019、

GB/T 26262-2010、GB/T

26261-2010、YDB 126-2013

等。2016至今，多次作为检

测机构负责人，承担了国内三

大电信运营商及铁塔集团基站

天线的集采或到货检测项目。

18

SAFETY & EMC No.6 2020

5G基站的电磁特性检测

Electromagnetic Characteristics Testing of 5G Base Station

中国信息通信研究院 王守源 安少赓 呼彦朴 魏蔚

摘要

介绍了5G基站在工作频段、基站形态、关键技术方面的主要

变化。结合实例，详细阐述了5G一体化基站的电磁特性检测方法

和最新研究进展，包括：射频电磁场OTA、有源方向图、电磁兼容，

以及5G基站电磁辐射。旨在为制造商、运营商、检测机构评估产

品功能和性能提供参考和帮助。

关键词

射频电磁场；空口技术；有源方向图；电磁兼容；电磁辐射

Abstract

This paper introduces the main changes of 5G base station in working

frequency band, base station configuration and key technology. Combined with

examples, this paper expounds the electromagnetic characteristics testing methods

and the latest research progress of 5G integrated base station, including radio

frequency electromagnetic field OTA, active pattern, electromagnetic compatibility,

and electromagnetic radiation of 5G base station. The purpose is to provide reference

and help for manufacturers, operators and testing institutions to evaluate product

function and performance.

Keywords

RF electromagnetic field; Over The Air(OTA); active direction pattern; EMC;

electromagnetic radiation

引言

随着在线学习、视频会议、网络办公、远程医疗等网络需求逐渐增大，

4G已无法满足当下对网络大带宽、低延时的要求。5G能提供高质量的用

户体验，5G的核心是基础设施建设，而基站电磁特性的优劣将直接影响

5G发展的速度和质量。

由于5G技术在基站形态、空口特性等方面发生了重大变化，相应基

站电磁特性检测方法也发生了很大改变，如何科学全面的对5G产品特性

进行测量，是产业界需要研究解决的问题。本文结合实例，详细阐述了5G

基站电磁特性检测方法和最新研究进展，旨在为相关单位评估产品功能和

性能提供参考。

1 5G基站主要特性的变化

相对于2/3/4G基站, 5G基站主要特性的变化包括三个方面：工作频段、

基站形态和关键空口技术。

1.1 工作频段

根据3GPP标准的规定，5G基站设备主要使用FR1频段（即Sub-

6 GHz频段，410~7 125 MHz）和FR2频段（即毫米波频段，24.25~

52.6 GHz）。目前国内主要以Sub-6 GHz频段建设5G网

络的基础设施，国外已有部分运营商采用毫米波频段建

设5G网络的基础设施。根据近一年的5G网络的覆盖

效果和性价比的对比，FR1频段的应用具有很大的优势。

1.2 基站形态

4G基站形态主要由BBU（基带处理单元）、RRU（射

频拉远单元）和无源天线组成，其中RRU和天线是分

离的。而5G基站形态由BBU和AAU（RRU+天馈系

统，即有源天线）组成，其中RRU和天线实现了一体

化。在3GPP中定义了4种站型：传导型（BS type 1-C）、

混合型（BS type 1-H）、空口型（BS type 1-O，type 2-O）。

站型端口示意图如图1~图3。

图1 传导型端口示意图

图2 混合型端口示意图

图3 空口型端口示意图

1）传导型基站，仍延用了4G时期的网络架构，

在上下行模式中，可通过基站和放大器、天线设备之间

有电缆连接的端口，进行传导性的测试。

2）混合型基站，引入了阵列的概念，上下行使用

相同的链路，在基站收发单元阵列与复合天线单元之间，

有若干以传导形式出现的接口。在复合天线单元与外部

空间之间，存在辐射接口边界。

新视角

3）空口型基站，基站的收发单元与射频分散网络、

天线阵列合为一体，没有对外的传导型接口，只存在辐

射接口边界。该基站的所有指标需通过空口进行测试，

是测试难度最大的基站形态。

1.3 关键技术

5G基站引入的关键技术包括大规模MIMO技术（传

统多频天线向阵列天线转变）和波束赋形技术（定向辐

射变为可通过软件实现的多波束赋形）等。5G基站一

方面通过采用大规模MIMO技术复用更多的无线信号

流，提升网络容量；另一方面通过采用波束赋形技术，

大幅提升网络覆盖能力。换言之，5G关键技术是通过

调整天线增益空间分布，使信号能量在发送时更集中指

向目标终端，相对其他移动通信制式，在抵消同样的空

间传输损耗后，能够提供更强电平的信号，以扩充信道

传输能力。

2 5G基站引入的射频电磁场OTA测试方法

5G关键空口技术的引入，使得基站射频指标测试

的复杂程度大幅提升。过去的传导方式已不适用，由此，

引入OTA测试为基础的方法。

2.1 射频OTA指标测试

1）对于1-C、1-H 型RRU（射频部分可和阵列天

线分离），可采用传统的传导测试方法。即通过射频线

缆将仪表和被测物连接到一起，直接对射频信号进行

测量。

2）对于1-O，2-O型基站（RRU和天线无法分离），

需要采用OTA空口测试方法。即由测量天线接收信号

后，再将信号传入测试仪表的方法，是一种在自由空间

验证无线产品空口性能的测试方法。

3）工作频率在Sub-6GHz的基站，可以采用远场

或紧缩场测试方案

[1-2]

。

远场测试是最直接的测试方式，在测试距离足够

远时，入射波在接收面上近似于平面波。经过优化的转

台可以控制被测基站围绕下方纵轴和横滚轴进行360

旋转，以实现球面扫描。

紧缩场测试类似于远场测试方式，它可以利用反

射面把位于焦点处的馈源发出的球面波转为平面波，从

而在有限物理空间内实现远场测试。

以单反射面紧缩场测试系统为例，系统示意图和

实际测试示意图见图4~图5。为了在保证良好测试动

态范围的情况下模拟远场平面波，紧缩场是最佳的方案。

通过馈源发射的电磁波，经过反射面反射后，在AAU（有

源天线处理单元）处形成均匀的平面波（如图5所示）。

电磁场的发射与接收的过程是互逆的，所以这套系统可

以进行基站发射机特性与接收机特性的测试。

2020年第6期 安全与电磁兼容

19

PERSPECTIVE

图4 单反射面紧缩场测试系统示意图

（a）发射机测试示例

（b）接收机测试示例

图5 紧缩场测试系统测试示意图

如图5（a）所示，在进行基站发射机测试时，基

站设备安装在特制U型转台的黄色安装支架上，基站

向反射面方向发射的电磁波，通过馈源接收，可得到基

站向反射面方向发射的电平。转台通过程序设定，围绕

下方位轴和横滚轴进行转动，可以满足基站设备球面发

射信号的扫描。

如图5（b）所示，在进行基站接收机测试时，基

站设备同样安装在特制U型转台的黄色安装支架上，

将调制后的信号，通过馈源向反射面发射，经过反射面

反射后，可在基站所处的静区内形成均匀的电磁波。转

台通过程序设定，围绕下方位轴和横滚轴进行转动，可

20

SAFETY & EMC No.6 2020

以将基站设备球面上任意一个方位对准反射面，从而实

现基站球面上所有方位上的灵敏度测试。

远场、紧缩场测试系统可以测试EIRP（有效全向辐

射功率）、EIS（有效全向灵敏度）、EVM（误差向量幅度）、

ACLR（相邻频道泄漏功率比）等射频辐射指标，也可以

测试基站天线波束赋形方向图。对于毫米波频段基站，

由于高频信号衰落严重，通常采用紧缩场测试系统。

2.2 有源方向图测试

由于5G基站的形态发生了根本性的变化，因此需

要采用有源方向图将射频有源单元和大规模天线阵列所

组成的AAS（有源天线系统）作为一个整体进行测试，

从而衡量整体设备的性能及关键性能指标。

天线方向图测试包括天线增益的标定和其他波形指

标的测量。在天线增益标定中，有源方向图与无源方向

图的测试存在差异，且有源方向图测试实现的难度较高。

在无源方向图测试的标准中，天线增益可采用比

较法（参见YD/T 2868-2015 5.1.2）进行标定。其特点

是系统架构简单，稳定性高。通过对标准增益天线有效

的测量，可保证整体测试的准确性。

在有源方向图的测试中，天线增益的测量从无源

天线的相对电平（标准增益天线的测量电平与被测天线

的测量电平相对计算）测量转变成绝对电平值测量。有

源方向图测试是在传统无源测试系统的基础上引入了较

为复杂的链路校准过程来实现的。在低中频段，空间衰

减在30 dB左右，实现较为简易。在毫米波频段，由于

毫米波空间衰减大，增加了链路损耗，使得整个系统的

动态范围都会受到影响，这是毫米波频段有源天线测试

所需考虑的重要因素。另外，在校准过程中，通常会使

用低噪声放大器来补偿链路上的空间损耗。

针对有源天线特定切面进行扫描，可以得到水平

面或者垂直面上的方向图。考察无源天线的常规指标包

括波束宽度、增益大小和指向角度；由于有源方向图可

以给出这些指标的准确测试结果，因此这些指标也成为

了考察有源天线的关键指标。在5G有源天线阶段，这

些无源天线方向图测试的方法也发挥了重要的性能评估

作用。

以单反射面紧缩场测试系统为例，二维、三维方

向图示例见图6~图7。

图6是一个3.5 GHz有源一体化基站的水平面方向

图扫描结果。可以看到主瓣在0方向上，能量非常集中。

通过其他指标的分析，例如主瓣的半功率波束宽度、副

瓣电平相对最大电平的差距等指标，可以分析出基站对

波束控制的能力，从而指导波形等方面的优化。

图7是一个有源一体化基站球面方向上的扫描结

果。图中不仅有水平面上的能量分布，也有垂直面上许

新视角

3 5G基站电磁兼容测试的变化

5G基站工作频段、设备形态的变化，以及引入新

的关键空口技术，给电磁兼容测试也带来了变化

[3]

，主

要包括静电放电测试、辐射杂散测试及辐射抗扰度测试

三个方面的变化。

3.1 静电放电测试

对于1-O、2-O类型基站，为了防止较近距离产生

电磁辐射，最新的5G基站电磁兼容测试标准

[4]

中，在

图6 二维方向图测试结果示例

很多测试员与被测设备共处一室的场景中规定了实验环

境要符合GB 8702-2014《电磁环境控制限值》的要求，

同时所有的测试均要保障操作人员的人身安全。因此，

操作人员不能按照传统方式进行操作，建议可以采用机

械臂代替测试人员执行各类操作。

3.2 辐射杂散测试

辐射杂散测试在1-C和1-H类型基站上采用EIRP

测试方法。

在实际检测中，目前已经实现EIRP方式毫米波基站

的杂散测试，测试平台搭建方式如图8所示。根据ITU-R

图7 三维方向图测试结果示例

SM.329要求：毫米波频段杂散限值要求为：-30 dBm

（RBW=1 MHz），经过理论计算，整个系统的底噪在毫

多分量的分布情况。可以更直观，更全面的分析基站能

米波频段时，可做到低于限值15 dB左右，满足标准要

量的分布情况、主瓣的覆盖和指向以及其他方向上波瓣

求。计算公式如下：

的分布。对于性能的评估分析和整体性能改善，能够提

P

sp

=

P

r

+

L

path

+

L

z

-

AP

inside

-

AP

outside

-

G

ir

+

SA

（1）

供更为全面的信息。

式（1）中，

P

sp

为可测试到的杂散数值，

P

r

为频谱仪读数，

图8 毫米波杂散EIRP测试方法的系统连接图

L

path

为所有路径损耗，

L

z

为混频器抬升底噪，

AP

inside

为射功率）方法是目前在讨论中被多方相对认同的一种方

频谱仪内置低噪放增益，

AP

outside

为外置低噪放增益，法，可以克服以往EIRP方法中的很多弊端，是新的技

G

ir

为接收天线增益，

SA

为场衰减理论值。通过此方法，术研究热点。目前国际标准对1-O、2-O类型基站的杂

已经完成了若干毫米波基站的杂散测试。散测试与限值还处于研究讨论阶段。

辐射杂散测试对于1-O和2-O类型基站，若仍然

3.3 辐射抗扰度测试

采用传统的EIRP测试方法，当非有用信号的发射方向辐射抗扰度测试对于1-O、2-O类型基站存在新

恰好和天线波束赋形一致，从而导致两个或多个信号发的问题。由于5G基站电磁兼容抗扰测试实验等级在

射方向一致，那么辐射杂散测试将会受到基站有用信号80~690 MHz需达到3 V/m，在690~6 000 MHz要达到

的影响。尤其是在频率接近的情况下，受到主信号的影10 V/m，这个量级远远超过了射频阻塞测试的限值；因

响更为严重，使得测试准确性变差。而采用TRP（总辐而1-O、2-O类型基站在正面（被测物与施加骚扰天线

2020年第6期 安全与电磁兼容

21

PERSPECTIVE

的夹角为90）会遇到阻塞的情况。如图9所示，被测

基站正面（即骚扰信号从90附近角度入射）被骚扰时，

信号即发生阻塞，此时被测基站误码率激增，无法达到

正常工作状态，使得测试不能进行下去。

图9 实际测试中5G基站遇到阻塞的情况

基于以上情况，在现有实验条件下，建议先回避

正面的测试，并规定测量系统在开启前后对EUT灵敏

度的恶化不应超出10 dB。未来对于1-O、2-O类型基

站辐射抗扰度测试的方法，仍有很多改进的需求。

4 5G基站电磁辐射的监测和评估

4.1 通用基站电磁辐射环境的监测和评估

我国现行的移动通信基站电磁辐射标准是由生态

环境部于2018年9月30日批准，2019年1月1日正

式实施的HJ 972-2018《移动通信基站电磁辐射环境监

测方法》，适用于GB 8702-2014规定豁免范围以外的移

动通信基站的电磁辐射环境监测。在具体监测过程中，

操作人员会使用非选频式宽带电磁辐射监测仪或选频式

电磁辐射监测仪，在以移动通信基站发射天线地面投影

点为圆心、半径50 m的底面圆柱体空间内，选择有代

表性的电磁辐射环境敏感目标，测量电场强度或者功率

密度。监测时长按现行标准要求为5个“15 s”的最大

值求平均或者使用6 mins的监测读数。

在符合性限值评估时，需参照GB 8702-2014执行。

此外，对于单个项目的影响，HJ/T 10.3-1996《辐射环

境保护管理导则-电磁辐射环境影响评价方法与标准》

规定，为使公众受到照射的剂量小于国家标准要求，需

对单个项目的电磁辐射限值进行加严，对于移动通信基

站的单个项目，电场强度和功率密度的限值要求分别为

GB 8702-2014要求的1/

5

和1/5。

22

SAFETY & EMC No.6 2020

4.2 5G基站电磁辐射环境的监测和评估

为准确评估5G基站电磁辐射环境的影响，生态环

境部辐射环境监测技术中心联合中国信息通信研究院于

近期编写了《5G移动通信基站电磁辐射环境监测方法

（征求意见稿）》，目前该标准仍在讨论制定中。5G基站

监测方法在HJ 972-2018的基础上有三点明显的变化：

监测仪器主要采用选频式电磁辐射监测仪；监测读数时

长与GB 8702-2014保持一致，只保留6 mins；监测布

点选择不局限于50 m范围内的电磁辐射敏感区域。

在实际场景的测试中，主要围绕现阶段商用网络

的5G工作频段，选取不同的测试场景和测试环境，模

拟多种工作状况。在过去电磁辐射测试场景的基础上，

结合5G应用特点，列举尽可能多的使用场景，如空载、

满载、大规模下载、视频传输、视频/语音通话等，配

合不同数量的终端进行测试。通过分析测试数据，可为

测试方法和限值等进一步研究提供更加科学的依据。

5 结语

5G有源一体化基站的新形态带来了电磁特性测试

方法新变化，虽然目前测试方法已基本形成，但是一

些测试难点仍需各方继续探讨和研究。例如，5G基站

射频OTA测试，高频毫米波频段空间损耗的补偿方式，

杂散测试中球面总辐射功率的测试方案，电磁辐射评估

中测试方法和限值的研究，都是未来需要研究克服的技

术难题。

随着移动通信技术的快速发展，基站逐步向小型

化、高集成化的方向发展，目前中频段基站在国内已大

量布设，毫米波基站技术也在逐步走向成熟。未来更高

频段的基站，如6G太赫兹频段已在研究中，更大带宽

的应用也将成为未来发展的趋势，相应的电磁OTA测

试方法会逐步成为主流，检测人员、制造商、运营商等，

需要对电磁特性的检测方法投入更多的研究。

参考文献

[1] 李勇, 徐黎, 李文. 5G基站天线OTA测试方法研究[J].

移动通信, 2018, 42(6): 7-10.

[2] 倪琨. 5G基站天线OTA测试方法研究[J].电子世界，

2019(7): 34-35.

[3] 魏蔚. 5G基站电磁兼容测试中的变化和难点[J]. 通讯世

界, 2019, 026(009): 25-26.

[4] 中国通信标准化协会. YD/T 2583.17-2019 蜂窝式移动通

信设备电磁兼容性能要求和测量方法第17部分: 5G基

站及其辅助设备[S]. 北京:人民邮电出版社, 2019.

编辑：余琼 

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