第五代移动通信（Fifth Generation mobile communication,5G）旨在显著提高无线系统性能,以实现比第四代移动通信（Fourth Generation mobile communication,4G）更高的数据速率、能源效率和可靠性。随着新的使能技术在5G中的应用,例如,大规模多输入多输出（multiple-input multiple-output,MIMO）、毫米波大带宽、三维波束赋形和封装天线（antenna-in-package,AiP）集成化设计,使得空口（over-the-air,OTA）测试对于5G MIMO设备的性能评估至关重要。5G技术进步对5G OTA测试方法提出了重大挑战,例如,测试成本和复杂性显著增加。面对上述问题,本文针对面向5GMIMO设备的OTA测试关键技术进行探索研究,主要研究工作总结如下:针对载波聚合MIMO系统的OTA性能测试,本文提出了两种可实现无线连接的辐射两步（radiated two-stage,RTS）方法的测试装置结构（装置A和B）。装置A根据聚合频段的载波数量直接使用单载波的多套装置资源,并分别确定每个频段载波下的校准矩阵并在信道模拟器的射频域中分别处理实现;另一方面,装置B通过在信道模拟器数字基带中直接实现校准矩阵,当聚合载波的数量很大时,可大大降低系统成本和校准时间。另外,为进一步验证载波聚合场景的RTSOTA性能,在装置A和装置B结构基础上,实验推导了三种不同类型射频屏蔽坏境中的OTA天线端口到被测设备（device under test,DUT）天线端口的传输矩阵。实验结果表明:在载波聚合场景,RTS方法在微波暗室中效果最好,可为每个无线连接实现18 dB以上的隔离度,实际中,也可使用小型射频屏蔽暗箱代替微波暗室以节省成本。理论推导和分析进一步揭示,当聚合载波的频率间隔较大时（例如大于150MHz）,则需要对每个聚合载波采用各自的校准矩阵。针对具有波束扫描特点的5G自适应天线系统的OTA性能测试,本文首先提出了多探头微波暗室（multi-probe anechoic chamber,MPAC）OTA测试装置中用于评估信道重现精度的波束概率品质因子。以标准的二维空间信道模型为例,通过数值仿真探讨了 DUT尺寸和OTA天线数量对波束概率重现精度的影响,进一步地,考察了衡量波束概率重现精度的两种量化指标（波束峰值距离和波束统计距离）的合理性。数值仿真结果表明:两种量化指标中的波束统计距离可更具指导性地衡量波束概率品质因子的重现精度。针对大规模MIMO系统的OTA性能测试,本文接着在MPAC OTA测试装置基础上,提出了一种采用灵活虚拟探头的虚拟OTA测试方法。所提出的虚拟探头概念替代了传统三维扇形MPAC装置中的探头墙和探头切换电路,从而进一步解决了传统MPAC装置中实际探头安装的复杂性和多探头切换的局限性等问题。另外,为进一步验证虚拟OTA测试方法的性能,针对空间信道簇在空间相关性、功率角度谱（power angular spectrum,PAS）和波束概率方面的重现精度进行了数值仿真,其中,空间相关性误差、PAS总变化距离和波束统计距离的数值仿真结果分别可达到0.093、0.062和0.053。针对5G MIMO OTA测试的标准化工作,本文最后总结了第三代合作计划（The Third Generation Partner Project,3GPP）标准化中5G MPAC OTA的测试方法,并探讨了与4G MPAC OTA的区别。进一步地,通过实验测量演示了 MPAC OTA测试装置中真实5G终端在标准信道模型下的吞吐量测量结果。吞吐量实测结果表明:在良好的信令条件下可实现1.1 Gbps的下行链路速率。针对5G毫米波相控阵天线的射频OTA测试,本文提出了 5G毫米波AiP的测试测量平台和方法。为了有效且方便地评估AiP单元控制精度并可靠地校准AiP天线阵列,本文首先提出了一种高效和自动化的毫米波相控阵AiP实验平台。该实验平台可灵活地控制AiP单元激励的幅度和相位,并能自定义地实现AiP的自动化测试测量,从而避免了测试测量中控制AiP的繁重工作量。例如,实验平台完成AiP状态更新、射频参数测量和数据保存这一次自动化组合操作总共只需不到0.7 s的时间。另外,为进一步验证实验平台的有效性,实验测量了控制精度、阵列校准和波束转向方面的性能,且效果良好。为了准确评估AiP正常工作模式下的单元激励控制精度,本文接着提出了一个新颖的全开分析方法,并在全开模式下进行了实验验证。所提出的方法通过采用一种相位补偿技术来准确测量AiP在全开模式下各个单元的控制精度,进一步地可达到±0.1 dB的幅度误差范围和±1°的相位误差范围。实验分析结果表明:实际应用中的AiP在全开模式下的控制精度评估结果比传统开关模式下的结果更具指导性和参考价值。针对AiP在开关和全开这两种校准模式下存在的差异,本文最后通过实验对比了 AiP经过这两种模式校准后的波束扫描性能。目的是为了探讨这两种校准模式之间的差异是否会导致最终AiP波束扫描性能的不同。实验结果表明:尽管两种校准模式下获得的单元激励结果之间的偏差可达到±2.5 dB的幅度范围和±20°的相位范围,但是在小角度波束扫描范围内仍可获得相同的波束扫描性能。