在智能天線測試方面的探究

　　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)的性能和電子對抗的能力。隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、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)引入移動通信領(lǐng)域，很快形成了一個新的研究熱點(diǎn)——智能天線。其中，我國在享有獨(dú)立自主知識產(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，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到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，利用多個天線單元空間的正交性和信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，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)也越來越得到大家的重視，因此智能天線的測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。

　　對于定向智能天線陣來說，包括以下三類測試參數(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。

　　對于全向智能天線陣來說，也可以分為三類測試參數(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、智能天線的測試項(xiàng)目及測試方法

　　下面針對智能天線不同于普通天線的測試項(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，主要是為了動態(tài)地校準(zhǔn)各個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。在測試的過程中，校準(zhǔn)端口與每個饋電端口形成一個校準(zhǔn)通道，對任意端口進(jìn)行測量得到相位/幅度誤差，在相同頻點(diǎn)上取所有測量值之間的最大偏差即得到本指標(biāo)。

　　校準(zhǔn)電路參數(shù)的測量示意如圖1所示。

圖1

　　測量步驟如下：

　?。?）將被測天線安裝在符合測量條件的自由空間或模擬自由空間；

　　（2）按測量系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)；

　　（3）將測量系統(tǒng)與被測天線的校準(zhǔn)端口和第i個饋電端口相連接，被測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）的測量；

　?。?）重復(fù)步驟（3），測試所有端口的S（i，CAL）值。

　　測出校準(zhǔn)端口CAL至多個輻射端口i的傳輸系數(shù)S（i，CAL）后，對所有測試的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單元端口均有輸入信號，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，測量示意如圖2所示。

圖2

　　有源輸入回波損耗間接測量步驟如下：

　?。?）將被測天線安裝在符合測量條件 的自由空間或模擬自由空間；

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

　?。?）將測量系統(tǒng)與被測天線的第i個饋電端口相連接，被測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的測量，測量的Sii讀數(shù)就是第i個饋電端口的自反射系數(shù)；

　?。?）將測量系統(tǒng)與被測天線的第i個和第j個饋電端口相連接，被測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的測量，測試的Sij讀數(shù)就是第j個饋電端口到i個饋電端口的傳輸系數(shù)；

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

　?。?）根據(jù)矩陣公式：［b］=［S］［a］，可以求出任意幅/相激勵ai對應(yīng)的反射信號bi，從而求出第i個輻射端口的復(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；

　　（8）重復(fù)步驟（6）給出掃描角為0°、±30°、±45°、±55°的幅/相激勵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)載時發(fā)射或接收到的輻射方向圖。對于智能天線來說，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。

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

　　對于定向智能天線，廣播波束可以分為30°、65°、90°和100°，分別對應(yīng)于不同扇區(qū)的覆蓋要求。對于全向智能天線，廣播波束應(yīng)為360°覆蓋，因此對其圓度提出了相應(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)波束是指對智能天線陣列施加特定的幅度和相位激勵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得到的波束；另一種為各列單元的激勵幅度均勻且激勵相位呈線性遞增（差分相位規(guī)定為，其中：為工作頻段的中心頻點(diǎn)的波長、d為相鄰列的水平方向間距、=60°）時所得到的增益。

　　對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（對于8列陣）。

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

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

　　測試條件如下。

　?。?）被測天線與源天線具有相同的極化方式。

　?。?）被測天線和源天線之間測量距離應(yīng)滿足

　　式中：L——源天線與被測天線距離（m）；

　　D——被測天線最大尺寸（m）；

　　d——源天線最大輻射尺寸（m）；

　　——測試頻率波長（m）。

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

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

　　測量開始前，應(yīng)準(zhǔn)備好與測量參數(shù)相對應(yīng)的天線陣列幅相加權(quán)饋電網(wǎng)絡(luò)，在對其幅相加權(quán)值確認(rèn)的同時，要在非被測網(wǎng)絡(luò)單元端接匹配負(fù)載的情況下，分別測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：

　?。ㄆ渲蠳為陣列單元饋電端口數(shù)），求出與測量參數(shù)對應(yīng)的天線陣列加權(quán)饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗Ln。

　　開始測量時，必須將被測天線和增益基準(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。

　　測量步驟如下

　　（1）增益基準(zhǔn)天線與源天線對準(zhǔn)，通過轉(zhuǎn)接，使增益基準(zhǔn)天線與接收機(jī)相連接，此時接收機(jī)接收功率電平為P1（dBm）。

　?。?）被測天線通過帶有相應(yīng)饋電端口所需加權(quán)值的饋電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接，使被測天線與接收機(jī)相連，然后通過測量調(diào)整使它與源天線對準(zhǔn)，此時，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測量的重復(fù)性達(dá)到可以接受的程度。

　?。?）被測天線某頻率點(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——計入了對應(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）。

　?。?） 在同一個工作頻帶內(nèi)，測量高、中、低三個頻率點(diǎn)，并計算分貝平均值。

　　（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)增益測試。

　　性能判據(jù)為

　　對于每個工作頻段都進(jìn)行高、中、低三個頻點(diǎn)增益的測試，平均值應(yīng)滿足增益指標(biāo)的要求，而且高、中、低三個頻點(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量方法同理也可以參考增益的測試框圖和測試步驟進(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試，才能對智能天線的性能進(jìn)行全面的考核，將智能天線的優(yōu)勢發(fā)揮出來。