在智能天線測(cè)試方面的探究 - 全文

　　1、引言

　　智能天線技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)60年代，最初的研究對(duì)象是雷達(dá)天線陣，主要目的是提高雷達(dá)的性能和電子對(duì)抗的能力。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面研究的逐漸深入，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能。到了20世紀(jì)90年代，陣列處理技術(shù)引入移動(dòng)通信領(lǐng)域，很快形成了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)——智能天線。其中，我國(guó)在享有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA技術(shù)中，就已經(jīng)成功地引進(jìn)了智能天線技術(shù)。從某種程度上可以說(shuō)，智能天線是3G區(qū)別于2G系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)志之一。

　　智能天線是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，使天線的主波束跟蹤用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，利用多個(gè)天線單元空間的正交性和信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開來(lái)，最大限度地利用有限的信道資源。它在提高系統(tǒng)通信質(zhì)量、緩解無(wú)線通信業(yè)務(wù)日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾以及降低系統(tǒng)整體造價(jià)和改善系統(tǒng)管理等方面，都具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

　　既然智能天線有如此多的好處，那么隨著TD-SCDMA系統(tǒng)商用化的腳步越來(lái)越近，作為T D-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一的智能天線技術(shù)也越來(lái)越得到大家的重視，因此智能天線的測(cè)試方法也就顯得至關(guān)重要。

　　2、智能天線的分類

　　智能天線按照類型可以分為全向智能天線陣和定向智能天線陣。

　　對(duì)于定向智能天線陣來(lái)說(shuō)，包括以下三類測(cè)試參數(shù)。

　?。?）電路參數(shù)。包括垂直面電下傾角預(yù)設(shè)置值、垂直面電下傾角精度、垂直面機(jī)械下傾范圍；輸入阻抗、各單元端口駐波比、相鄰單元端口隔離度、每端口連續(xù)波功率容量。

　?。?）校準(zhǔn)參數(shù)。包括校準(zhǔn)端口至各單元端口的耦合度、校準(zhǔn)端口至各單元端口幅度最大偏差、校準(zhǔn)端口至各單元端口相位最大偏差、校準(zhǔn)端口駐波比、校準(zhǔn)通道耦合方向性。

　?。?）性能參數(shù)。包括各單元端口有源輸入回波損耗、垂直面半功率波束寬度、垂直面上部第一旁瓣抑制和下部第一零點(diǎn)填充；單元波束水平面半功率波束寬度、增益、前后比交叉極化比（軸向）和交叉極化比（±60°范圍內(nèi)）；業(yè)務(wù)波束水平面半功率波束寬度、視軸增益、水平面旁瓣電平和前后比、廣播波束水平面半功率波束寬度、視軸增益、視軸增益Φ=±60°處電平下降、半功率波束寬度內(nèi)的電平波動(dòng)。

　　對(duì)于全向智能天線陣來(lái)說(shuō)，也可以分為三類測(cè)試參數(shù)。

　?。?）電路參數(shù)。包括垂直面電下傾角預(yù)設(shè)置值、垂直面電下傾角精度；輸入阻抗、各單元端口駐波比、相鄰單元端口隔離度、每端口連續(xù)波功率容量。

　?。?）校準(zhǔn)參數(shù)。包括校準(zhǔn)端口至各單元端口的耦合度、校準(zhǔn)端口至各單元端口幅度最大偏差、校準(zhǔn)端口至各單元端口相位最大偏差、校準(zhǔn)端口駐波比、校準(zhǔn)通道耦合方向性。

　?。?）性能參數(shù)。包括各單元端口有源輸入回波損耗、垂直面半功率波束寬度、垂直面上部第一旁瓣抑制和下部第一零點(diǎn)填充；單元波束水平面半功率波束寬度、增益、前后比交叉極化比（軸向）和交叉極化比（±60°范圍內(nèi)）；業(yè)務(wù)波束水平面半功率波束寬度、視軸增益、水平面旁瓣電平、廣播波束視軸增益、方向圖圓度。

　　3、智能天線的測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試方法

　　下面針對(duì)智能天線不同于普通天線的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行介紹。

　　首先，智能天線比普通天線增加了校準(zhǔn)端口，主要是為了動(dòng)態(tài)地校準(zhǔn)各個(gè)單元端口的幅度和相位的一致性，校準(zhǔn)的準(zhǔn)確與否直接決定了智能天線的應(yīng)用效果，因此，對(duì)校準(zhǔn)端口至各單元端口幅度最大偏差和校準(zhǔn)端口至各單元端口相位最大偏差提出了相應(yīng)的要求。在測(cè)試的過(guò)程中，校準(zhǔn)端口與每個(gè)饋電端口形成一個(gè)校準(zhǔn)通道，對(duì)任意端口進(jìn)行測(cè)量得到相位/幅度誤差，在相同頻點(diǎn)上取所有測(cè)量值之間的最大偏差即得到本指標(biāo)。

　　校準(zhǔn)電路參數(shù)的測(cè)量示意如圖1所示。

圖1

　　測(cè)量步驟如下：

　?。?）將被測(cè)天線安裝在符合測(cè)量條件的自由空間或模擬自由空間；

　?。?）按測(cè)量系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)；

　?。?）將測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)天線的校準(zhǔn)端口和第i個(gè)饋電端口相連接，被測(cè)天線的其余端口一律接匹配負(fù)載，在工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸系數(shù)S（i，CAL）的測(cè)量；

　?。?）重復(fù)步驟（3），測(cè)試所有端口的S（i，CAL）值。

　　測(cè)出校準(zhǔn)端口CAL至多個(gè)輻射端口i的傳輸系數(shù)S（i，CAL）后，對(duì)所有測(cè)試的S（i，CAL）值分別求模和求相角，將所有模曲線和相角曲線分別畫在兩張圖中，比較并分別求出最大的模（即幅度）偏差和相位偏差。

　　其次，是各單元端口有源輸入回波損耗。

　　有源輸入回波損耗區(qū)別于普通的回波損耗的地方在于它是在各個(gè)單元端口均有輸入信號(hào)，且是形成不同方向波束的情況下的回波損耗，因此將它叫作有源輸入回波損耗，測(cè)量示意如圖2所示。

圖2

　　有源輸入回波損耗間接測(cè)量步驟如下：

　?。?）將被測(cè)天線安裝在符合測(cè)量條件 的自由空間或模擬自由空間；

　?。?）按測(cè)量系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)；

　?。?）將測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)天線的第i個(gè)饋電端口相連接，被測(cè)天線的其余端口一律接匹配負(fù)載，在工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)反射系數(shù)Sii的測(cè)量，測(cè)量的Sii讀數(shù)就是第i個(gè)饋電端口的自反射系數(shù)；

　?。?）將測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)天線的第i個(gè)和第j個(gè)饋電端口相連接，被測(cè)天線的其余端口一律接匹配負(fù)載，在工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸系數(shù)Sij的測(cè)量，測(cè)試的Sij讀數(shù)就是第j個(gè)饋電端口到i個(gè)饋電端口的傳輸系數(shù)；

　?。?）重復(fù)（3）、（4）步驟，測(cè)量所有端口的Sii和Sij的值；

　　（6）根據(jù)矩陣公式：［b］=［S］［a］，可以求出任意幅/相激勵(lì)ai對(duì)應(yīng)的反射信號(hào)bi，從而求出第i個(gè)輻射端口的復(fù)反射系數(shù)Γi=bi/ai，根據(jù)復(fù)反射系數(shù)可以求出第i個(gè)饋電端口相應(yīng)的有源輸入回波損耗為20lg（Γi）；

　?。?）求所有輻射端口有源回波損耗的最大值；

　?。?）重復(fù)步驟（6）給出掃描角為0°、±30°、±45°、±55°的幅/相激勵(lì)ai，求相應(yīng)的有源回波損耗，重復(fù)步驟（7），求所有有源回波損耗的最大值。

　　第三，智能天線比其他天線增加了單元波束、廣播波束和業(yè)務(wù)波束的概念。

　　單元波束是指智能天線陣列中任意饋電端口在其他所有端口都接匹配負(fù)載時(shí)發(fā)射或接收到的輻射方向圖。對(duì)于智能天線來(lái)說(shuō)，單元波束的指標(biāo)要求與普通天線的要求區(qū)別不大，因此在此不進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

　　廣播波束是指對(duì)智能天線陣列施加特定的幅度和相位激勵(lì)所形成的全向覆蓋或扇區(qū)覆蓋的輻射方向圖。

　　對(duì)于定向智能天線，廣播波束可以分為30°、65°、90°和100°，分別對(duì)應(yīng)于不同扇區(qū)的覆蓋要求。對(duì)于全向智能天線，廣播波束應(yīng)為360°覆蓋，因此對(duì)其圓度提出了相應(yīng)的要求。

　　不同的天線廠商，由于工藝和設(shè)計(jì)方式不同，廣播波束的幅相加權(quán)系數(shù)也有所區(qū)別，因此要求天線廠商提供不同廣播波束相應(yīng)的幅相加權(quán)系數(shù)。

　　業(yè)務(wù)波束是指對(duì)智能天線陣列施加特定的幅度和相位激勵(lì)所形成的在工作角域內(nèi)具有任意波束指向掃描以及具有高增益窄波束的方向圖。

　　定向智能天線的第一種波束是指波束為天線端口輸入等幅同相信號(hào)得到的波束；另一種為各列單元的激勵(lì)幅度均勻且激勵(lì)相位呈線性遞增（差分相位規(guī)定為，其中：為工作頻段的中心頻點(diǎn)的波長(zhǎng)、d為相鄰列的水平方向間距、=60°）時(shí)所得到的增益。

　　對(duì)于全向智能天線的第一種波束，按照以下公式：

　　其中，i=1，2，……N，N=8（對(duì)于8列陣）。

　　計(jì)算出相應(yīng)天線端口的幅度和相位，然后進(jìn)行激勵(lì)即可得到第一種波束，其中為每個(gè)工作頻段的中心頻點(diǎn)。

　　以增益測(cè)量為例，單元波束、業(yè)務(wù)波束和廣播波束的測(cè)試均可以采用圖3所示的測(cè)試框圖。

　　測(cè)試條件如下。

　?。?）被測(cè)天線與源天線具有相同的極化方式。

　?。?）被測(cè)天線和源天線之間測(cè)量距離應(yīng)滿足

　　式中：L——源天線與被測(cè)天線距離（m）；

　　D——被測(cè)天線最大尺寸（m）；

　　d——源天線最大輻射尺寸（m）；

　　——測(cè)試頻率波長(zhǎng)（m）。

　　（3）被測(cè)天線應(yīng)安裝于場(chǎng)強(qiáng)基本均勻的區(qū)域內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)預(yù)先用一個(gè)半波偶極天線在被測(cè)天線的有效天線體積內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，如果電場(chǎng)變化超過(guò)1.5 dB，則認(rèn)為試驗(yàn)場(chǎng)是不可用的；此外，增益基準(zhǔn)天線在兩個(gè)正交極化面上測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)差值應(yīng)小于1 dB。

　?。?）測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器、接收機(jī)等測(cè)量設(shè)備和儀表應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性、動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量精度，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。測(cè)量用儀表應(yīng)有計(jì)量合格證，并在校驗(yàn)周期內(nèi)。

　　測(cè)量開始前，應(yīng)準(zhǔn)備好與測(cè)量參數(shù)相對(duì)應(yīng)的天線陣列幅相加權(quán)饋電網(wǎng)絡(luò)，在對(duì)其幅相加權(quán)值確認(rèn)的同時(shí)，要在非被測(cè)網(wǎng)絡(luò)單元端接匹配負(fù)載的情況下，分別測(cè)量出總的饋電輸入端口到各陣列單元輸入端口傳輸系數(shù)的模|Si，j|（dB），并利用公式：

　　（其中N為陣列單元饋電端口數(shù)），求出與測(cè)量參數(shù)對(duì)應(yīng)的天線陣列加權(quán)饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗Ln。

　　開始測(cè)量時(shí)，必須將被測(cè)天線和增益基準(zhǔn)天線交替做水平和俯仰調(diào)整，以確保每一天線在水平和俯仰上的最佳指向，使其接收的功率電平為最大。

　　測(cè)量步驟如下

　?。?）增益基準(zhǔn)天線與源天線對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)轉(zhuǎn)接，使增益基準(zhǔn)天線與接收機(jī)相連接，此時(shí)接收機(jī)接收功率電平為P1（dBm）。

　?。?）被測(cè)天線通過(guò)帶有相應(yīng)饋電端口所需加權(quán)值的饋電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接，使被測(cè)天線與接收機(jī)相連，然后通過(guò)測(cè)量調(diào)整使它與源天線對(duì)準(zhǔn)，此時(shí)，接收機(jī)接收功率電平為P2（dBm）。

　?。?）重復(fù)步驟（1）和（2），直至P1和P2測(cè)量的重復(fù)性達(dá)到可以接受的程度。

　　（4）被測(cè)天線某頻率點(diǎn)的增益G按下式汁算：

　　G=G0+（P2-P1）+N式中：

　　G0——基準(zhǔn)天線的增益（dBi）；

　　N——計(jì)入了對(duì)應(yīng)天線陣列加權(quán)饋電網(wǎng)絡(luò)插入損耗Ln后的接收機(jī)輸入端分別到被測(cè)天線和增益基準(zhǔn)天線輸出端通路衰耗的修正值（dB）。

　?。?） 在同一個(gè)工作頻帶內(nèi)，測(cè)量高、中、低三個(gè)頻率點(diǎn)，并計(jì)算分貝平均值。

　　（6）根據(jù)電性能要求中的不同增益定義，設(shè)置陣列饋電網(wǎng)絡(luò)各輸出端口的幅相加權(quán)值，先測(cè)出饋電網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的插入損耗，然后重復(fù)步驟（4）和（5），分別進(jìn)行相應(yīng)增益測(cè)試。

　　性能判據(jù)為

　　對(duì)于每個(gè)工作頻段都進(jìn)行高、中、低三個(gè)頻點(diǎn)增益的測(cè)試，平均值應(yīng)滿足增益指標(biāo)的要求，而且高、中、低三個(gè)頻點(diǎn)增益的最差值不能小于增益指標(biāo)1.0，否則，判定不合格。

　　方向圖圓度（全向天線）、半功率波束寬度、前后比、交叉極化比和天線電下傾角的測(cè)量方法同理也可以參考增益的測(cè)試框圖和測(cè)試步驟進(jìn)行，在此就不詳細(xì)介紹了。

　　4、小結(jié)

　　智能天線測(cè)試的復(fù)雜度比普通天線要復(fù)雜得多，只有做好了以上的測(cè)試，才能對(duì)智能天線的性能進(jìn)行全面的考核，將智能天線的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。