在智能天線(xiàn)測試方面的探究

　　智能天線(xiàn)技術(shù)的研究起始于20世紀60年代，最初的研究對象是雷達天線(xiàn)陣，主要目的是提高雷達的性能和電子對抗的能力。隨著(zhù)移動(dòng)通信的發(fā)展及對移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線(xiàn)理論等方面研究的逐漸深入，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數字技術(shù)在基帶形成天線(xiàn)波束成為可能。到了20世紀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(xiàn)。其中，我國在享有獨立自主知識產(chǎn)權的TD-SCDMA技術(shù)中，就已經(jīng)成功地引進(jìn)了智能天線(xiàn)技術(shù)。從某種程度上可以說(shuō)，智能天線(xiàn)是3G區別于2G系統的關(guān)鍵標志之一。

　　智能天線(xiàn)是利用數字信號處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)的主波束跟蹤用戶(hù)信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，利用多個(gè)天線(xiàn)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(shí)隙、同碼道的信號區分開(kāi)來(lái)，最大限度地利用有限的信道資源。它在提高系統通信質(zhì)量、緩解無(wú)線(xiàn)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整體造價(jià)和改善系統管理等方面，都具有獨特的優(yōu)點(diǎn)。

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

　　2、智能天線(xiàn)的分類(lèi)

　　智能天線(xiàn)按照類(lèi)型可以分為全向智能天線(xiàn)陣和定向智能天線(xiàn)陣。

　　對于定向智能天線(xiàn)陣來(lái)說(shuō)，包括以下三類(lèi)測試參數。

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

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

　?。?）性能參數。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）；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、半功率波束寬度內的電平波動(dòng)。

　　對于全向智能天線(xiàn)陣來(lái)說(shuō)，也可以分為三類(lèi)測試參數。

　?。?）電路參數。包括垂直面電下傾角預設置值、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、每端口連續波功率容量。

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

　?。?）性能參數。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）；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(xiàn)的測試項目及測試方法

　　下面針對智能天線(xiàn)不同于普通天線(xiàn)的測試項目進(jìn)行介紹。

　　首先，智能天線(xiàn)比普通天線(xiàn)增加了校準端口，主要是為了動(dòng)態(tài)地校準各個(gè)單元端口的幅度和相位的一致性，校準的準確與否直接決定了智能天線(xiàn)的應用效果，因此，對校準端口至各單元端口幅度最大偏差和校準端口至各單元端口相位最大偏差提出了相應的要求。在測試的過(guò)程中，校準端口與每個(gè)饋電端口形成一個(gè)校準通道，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。

　　校準電路參數的測量示意如圖1所示。

圖1

　　測量步驟如下：

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

　?。?）按測量系統要求進(jìn)行系統校準；

　?。?）將測量系統與被測天線(xiàn)的校準端口和第i個(gè)饋電端口相連接，被測天線(xiàn)的其余端口一律接匹配負載，在工作頻率范圍內進(jìn)行傳輸系數S（i，CAL）的測量；

　?。?）重復步驟（3），測試所有端口的S（i，CAL）值。

　　測出校準端口CAL至多個(gè)輻射端口i的傳輸系數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(xiàn)和相角曲線(xiàn)分別畫(huà)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，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(xiàn)安裝在符合測量條件 的自由空間或模擬自由空間；

　?。?）按測量系統要求進(jìn)行系統校準；

　?。?）將測量系統與被測天線(xiàn)的第i個(gè)饋電端口相連接，被測天線(xiàn)的其余端口一律接匹配負載，在工作頻率范圍內進(jìn)行復反射系數Sii的測量，測量的Sii讀數就是第i個(gè)饋電端口的自反射系數；

　?。?）將測量系統與被測天線(xiàn)的第i個(gè)和第j個(gè)饋電端口相連接，被測天線(xiàn)的其余端口一律接匹配負載，在工作頻率范圍內進(jìn)行傳輸系數Sij的測量，測試的Sij讀數就是第j個(gè)饋電端口到i個(gè)饋電端口的傳輸系數；

　?。?）重復（3）、（4）步驟，測量所有端口的Sii和Sij的值；

　?。?）根據矩陣公式：［b］=［S］［a］，可以求出任意幅/相激勵ai對應的反射信號bi，從而求出第i個(gè)輻射端口的復反射系數Γi=bi/ai，根據復反射系數可以求出第i個(gè)饋電端口相應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；

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

　　第三，智能天線(xiàn)比其他天線(xiàn)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(xiàn)陣列中任意饋電端口在其他所有端口都接匹配負載時(shí)發(fā)射或接收到的輻射方向圖。對于智能天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，單元波束的指標要求與普通天線(xiàn)的要求區別不大，因此在此不進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

　　廣播波束是指對智能天線(xiàn)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覆蓋的輻射方向圖。

　　對于定向智能天線(xiàn)，廣播波束可以分為30°、65°、90°和100°，分別對應于不同扇區的覆蓋要求。對于全向智能天線(xiàn)，廣播波束應為360°覆蓋，因此對其圓度提出了相應的要求。

　　不同的天線(xiàn)廠(chǎng)商，由于工藝和設計方式不同，廣播波束的幅相加權系數也有所區別，因此要求天線(xiàn)廠(chǎng)商提供不同廣播波束相應的幅相加權系數。

　　業(yè)務(wù)波束是指對智能天線(xiàn)陣列施加特定的幅度和相位激勵所形成的在工作角域內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(xiàn)的第一種波束是指波束為天線(xiàn)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(xiàn)性遞增（差分相位規定為，其中：為工作頻段的中心頻點(diǎn)的波長(cháng)、d為相鄰列的水平方向間距、=60°）時(shí)所得到的增益。

　　對于全向智能天線(xiàn)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）。

　　計算出相應天線(xiàn)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(gè)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(xiàn)與源天線(xiàn)具有相同的極化方式。

　?。?）被測天線(xiàn)和源天線(xiàn)之間測量距離應滿(mǎn)足

　　式中：L——源天線(xiàn)與被測天線(xiàn)距離（m）；

　　D——被測天線(xiàn)最大尺寸（m）；

　　d——源天線(xiàn)最大輻射尺寸（m）；

　　——測試頻率波長(cháng)（m）。

　?。?）被測天線(xiàn)應安裝于場(chǎng)強基本均勻的區域內，場(chǎng)強應預先用一個(gè)半波偶極天線(xiàn)在被測天線(xiàn)的有效天線(xiàn)體積內進(jìn)行檢測，如果電場(chǎng)變化超過(guò)1.5 dB，則認為試驗場(chǎng)是不可用的；此外，增益基準天線(xiàn)在兩個(gè)正交極化面上測得的場(chǎng)強差值應小于1 dB。

　?。?）測量用信號發(fā)生器、接收機等測量設備和儀表應具有良好的穩定性、可靠性、動(dòng)態(tài)范圍和測量精度，以保證測量數據的正確性。測量用儀表應有計量合格證，并在校驗周期內。

　　測量開(kāi)始前，應準備好與測量參數相對應的天線(xiàn)陣列幅相加權饋電網(wǎng)絡(luò )，在對其幅相加權值確認的同時(shí)，要在非被測網(wǎng)絡(luò )單元端接匹配負載的情況下，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的模|Si，j|（dB），并利用公式：

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

　　開(kāi)始測量時(shí)，必須將被測天線(xiàn)和增益基準天線(xiàn)交替做水平和俯仰調整，以確保每一天線(xiàn)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

　?。?）增益基準天線(xiàn)與源天線(xiàn)對準，通過(guò)轉接，使增益基準天線(xiàn)與接收機相連接，此時(shí)接收機接收功率電平為P1（dBm）。

　?。?）被測天線(xiàn)通過(guò)帶有相應饋電端口所需加權值的饋電網(wǎng)絡(luò )轉接，使被測天線(xiàn)與接收機相連，然后通過(guò)測量調整使它與源天線(xiàn)對準，此時(shí)，接收機接收功率電平為P2（dBm）。

　?。?）重復步驟（1）和（2），直至P1和P2測量的重復性達到可以接受的程度。

　?。?）被測天線(xiàn)某頻率點(diǎn)的增益G按下式汁算：

　　G=G0+（P2-P1）+N式中：

　　G0——基準天線(xiàn)的增益（dBi）；

　　N——計入了對應天線(xiàn)陣列加權饋電網(wǎng)絡(luò )插入損耗Ln后的接收機輸入端分別到被測天線(xiàn)和增益基準天線(xiàn)輸出端通路衰耗的修正值（dB）。

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

　?。?）根據電性能要求中的不同增益定義，設置陣列饋電網(wǎng)絡(luò )各輸出端口的幅相加權值，先測出饋電網(wǎng)絡(luò )相應的插入損耗，然后重復步驟（4）和（5），分別進(jìn)行相應增益測試。

　　性能判據為

　　對于每個(gè)工作頻段都進(jìn)行高、中、低三個(gè)頻點(diǎn)增益的測試，平均值應滿(mǎn)足增益指標的要求，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1.0，否則，判定不合格。

　　方向圖圓度（全向天線(xiàn)）、半功率波束寬度、前后比、交叉極化比和天線(xiàn)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，在此就不詳細介紹了。

　　4、小結

　　智能天線(xiàn)測試的復雜度比普通天線(xiàn)要復雜得多，只有做好了以上的測試，才能對智能天線(xiàn)的性能進(jìn)行全面的考核，將智能天線(xiàn)的優(yōu)勢發(fā)揮出來(lái)。