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 安少賡，房育良，陳林

 (中國(guó)信息通信研究院泰爾實(shí)驗(yàn)室，北京100045)

摘要：隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，對(duì)天線測(cè)試的效率要求越來(lái)越高，但天線測(cè)試的效率受制于其測(cè)試原理。為了提高測(cè)試的效率，同時(shí)保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，決定引入分集技術(shù)的概念。在對(duì)分集技術(shù)進(jìn)行實(shí)用化論證后，對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了改造。改造后的測(cè)試結(jié)果表明，采用分集技術(shù)可以大幅提高測(cè)試效率，同時(shí)保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，具有良好的技術(shù)發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：天線測(cè)試；分集技術(shù)；空問(wèn)分集；遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN929.53 doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016091

1  引言

 天線測(cè)試在生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)有著非常重要的作用。在運(yùn)營(yíng)商選型和采購(gòu)的環(huán)節(jié)，天線測(cè)試更是衡量天線產(chǎn)品質(zhì)量唯一的手段。面對(duì)目前快速發(fā)展的天線測(cè)試需求，如何在確保高測(cè)試質(zhì)量的情況下提高測(cè)試的效率，成為了第三方實(shí)驗(yàn)室研究的一大方向。本文分5個(gè)部分，重點(diǎn)介紹了天線測(cè)試的重要性；目前天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的原理和影響效率的主要因素；分集概念的引入；儀表設(shè)備改造和改造前后測(cè)試精度的對(duì)比。

2天線測(cè)試的重要性

 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的質(zhì)量對(duì)于無(wú)線通信的性能來(lái)說(shuō)非常重要。而網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，除了基站等主設(shè)備按照設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生基站信號(hào)外，還需要將信號(hào)均勻地發(fā)射到日常生活工作的環(huán)境中。天線作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中電流與電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的裝置，其性能優(yōu)劣至關(guān)重要。天線對(duì)電流轉(zhuǎn)換的效率和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的波形是評(píng)價(jià)其產(chǎn)品質(zhì)量的兩個(gè)重要指標(biāo)。如果這兩個(gè)指標(biāo)與設(shè)計(jì)值相比出現(xiàn)了較大的偏差，對(duì)網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不足，也會(huì)造成多小區(qū)重疊覆蓋，從而造成網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降。因此，網(wǎng)絡(luò)性能和天線質(zhì)量有著緊密的聯(lián)系。

 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)初期，對(duì)于覆蓋的要求是理想化的蜂窩結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要使用站點(diǎn)選址、天線架設(shè)、路測(cè)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等各種手段來(lái)確保實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況與設(shè)計(jì)的盡量保持一致。在這過(guò)程中，對(duì)于天線的使用，是按照產(chǎn)品的標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行的。如果天線實(shí)際的性能與標(biāo)稱的指標(biāo)不一致，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，在網(wǎng)絡(luò)使用過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，待發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，再進(jìn)行彌補(bǔ)，將會(huì)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)成本。因此在天線上塔之前進(jìn)行質(zhì)量的保證，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建是非常重要的。

 鑒于天線質(zhì)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)的重要程度，各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和生產(chǎn)廠商對(duì)此都高度重視。產(chǎn)品選型、集中采購(gòu)、到貨檢查等各個(gè)階段都制定了詳盡的測(cè)試計(jì)劃，以保證即將上網(wǎng)使用產(chǎn)品的性能。而生產(chǎn)廠商則通過(guò)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案、制作工藝和生產(chǎn)材料等級(jí)等方案提高產(chǎn)品質(zhì)量，并在產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)天線的電路參數(shù)等一些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全檢或抽檢，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕不合格產(chǎn)品出廠。

 目前對(duì)天線質(zhì)量的控制，最主要的手段就是抽樣檢測(cè)。檢測(cè)的內(nèi)容主要有電路參數(shù)、輻射參數(shù)以及環(huán)境可靠性。其中，輻射參數(shù)的測(cè)試對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)量技術(shù)、人員素質(zhì)和測(cè)量方法的要求最為嚴(yán)格。

3天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的原理及影響效率的因素

 目前天線輻射方向圖的測(cè)試手段大致分為兩種：一種是遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試，在滿足被測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)距離的測(cè)試場(chǎng)里，進(jìn)行掃描測(cè)試，記錄天線在各角度上接收到的電平值：另一種是近場(chǎng)法測(cè)試，通過(guò)電場(chǎng)探頭，在距離被測(cè)天線若干個(gè)波長(zhǎng)的距離上進(jìn)行掃描測(cè)量，記錄所測(cè)量到的幅度和相位，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)公式變換，轉(zhuǎn)換出在遠(yuǎn)場(chǎng)距離下的天線方向圖。本文中所討論的天線測(cè)試方法是基于遠(yuǎn)場(chǎng)的。遠(yuǎn)場(chǎng)條件的計(jì)算式為：

 通過(guò)式(1)計(jì)算出相應(yīng)頻率和尺寸的天線產(chǎn)品所需的距離，在滿足此距離要求的場(chǎng)地上進(jìn)行天線的掃描測(cè)試。遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試的結(jié)果是最直接、最接近實(shí)際使用情況的，方向圖直接反映了產(chǎn)品的輻射性能。而在測(cè)試速度、效率等方面則受測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械部分的制約，其精度和速度是相互影響的兩個(gè)重要因素。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試需要調(diào)整發(fā)射天線的極化與接收天線一致或正交，并且在各種方位下做3600的掃描，以取得相應(yīng)切面上的角度幅度值。通過(guò)角度和幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成天線的方向圖，并計(jì)算出相應(yīng)的指標(biāo)．對(duì)天線的性能進(jìn)行判定。通常一根天線測(cè)試需要進(jìn)行至少6個(gè)切面的掃描，才能夠達(dá)到滿足所有指標(biāo)要求的測(cè)試。而掃描的速度，則根據(jù)掃描頻點(diǎn)的數(shù)量多少而不同，如果要求的頻點(diǎn)數(shù)目多，一個(gè)切面的掃描時(shí)間可能會(huì)長(zhǎng)達(dá)10 min。一個(gè)固定下傾角天線的測(cè)試時(shí)間在1h左右，而對(duì)于電調(diào)天線，一根天線的測(cè)試時(shí)間將會(huì)超過(guò)3h。

 相比之下，近場(chǎng)法測(cè)試中，電場(chǎng)探頭在接收到電信號(hào)的幅度和相位后，還要帶人復(fù)雜的公式進(jìn)行計(jì)算，生成模擬遠(yuǎn)場(chǎng)情況的方向圖，結(jié)果受很多因素的影響，可能與實(shí)際的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖會(huì)有很大的偏差。但在測(cè)試速度上，近場(chǎng)法可以在幾分鐘之內(nèi)完成天線多個(gè)頻點(diǎn)上的3D方向圖。相比之下，測(cè)試效率更高。

 目前各種天線測(cè)試的需求越來(lái)越多，從天線生產(chǎn)廠商的認(rèn)證測(cè)試，到運(yùn)營(yíng)商的選型、集采及到貨抽檢等測(cè)試。采用傳統(tǒng)的測(cè)試方法已經(jīng)無(wú)法完成巨大的測(cè)試需求。對(duì)此，必須在保證測(cè)試精度的情況下提高測(cè)試的速度。

 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀方案進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試的系統(tǒng)組成如圖1所示。

 由圖1可見(jiàn)，由兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出單路掃頻信號(hào)，通過(guò)單端口單極化發(fā)射天線向空間輻射掃頻信號(hào)，接收端多端口被測(cè)天線將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)配備單通道關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)臺(tái)傳送至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端，在計(jì)算機(jī)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的組合控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)天線的旋轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)3600空間中電磁波信號(hào)的連續(xù)不間斷數(shù)據(jù)采集。

4分集技術(shù)概念及其在天線測(cè)試中的應(yīng)用

 為了提高測(cè)試效率，已經(jīng)將信號(hào)源接收機(jī)測(cè)試升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，將以前單頻點(diǎn)掃描變?yōu)槿�頻段多頻點(diǎn)掃描，測(cè)試時(shí)間有了成倍的縮短；同時(shí)，如何繼續(xù)提高效率，成為目前要解決的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期考察和經(jīng)驗(yàn)積累，將突破點(diǎn)放在空間分集測(cè)試方面。分集的概念在通信中應(yīng)用廣泛。分集技術(shù)的核心原理為分散發(fā)射、集中接收。而分集的手段又包括空間分集、極化分集、頻率分集、時(shí)間分集和碼域分集等方面。

 在天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方面，已經(jīng)采取頻率分集的方式，將測(cè)試效率提高了n倍（n為網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定的頻點(diǎn)數(shù)），在雙端口天線的測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)端口都需要按照表1中的順序進(jìn)行6次掃描測(cè)試，按照發(fā)射端和接收端極化和圖形切面方式的組合形式列出。

 由表1可見(jiàn)，在發(fā)射端+450極化發(fā)射的狀態(tài)下．+450端口進(jìn)行了表1中狀態(tài)(1)的測(cè)試，在相同的狀態(tài)下，-450端口也會(huì)進(jìn)行表1中狀態(tài)(4)的測(cè)試。

 同理，在發(fā)射端-450極化發(fā)射的同時(shí)，兩個(gè)接收端口也進(jìn)行了表1中狀態(tài)(2)和狀態(tài)(6)的測(cè)試。極化分集在天線的測(cè)試系統(tǒng)中指某一極化集中發(fā)射，被測(cè)天線兩個(gè)或多個(gè)端口分散接收，利用線極化電磁波正交相關(guān)性為零的特性，相互垂直的兩組振子接收到的信號(hào)相互之間沒(méi)有影響。從而可以在同一時(shí)間內(nèi)采集兩個(gè)相互正交極化端口的數(shù)據(jù)，成倍提升測(cè)試速度。

 如果能夠在同一時(shí)間采集+450端口的電平數(shù)據(jù)，就可以將表1中狀態(tài)(1)和狀態(tài)(4)的測(cè)試放在一起，同樣狀態(tài)(2)和狀態(tài)(6)也可以壓縮為一個(gè)狀態(tài)。

 這種測(cè)試模式與原先單發(fā)單收的原理是相同的。在被測(cè)天線圍繞上方位軸進(jìn)行3600旋轉(zhuǎn)時(shí)，任何角度坐標(biāo)狀態(tài)下都會(huì)有主極化和交叉極化兩個(gè)電信號(hào)同時(shí)被測(cè)量和記錄。而這兩個(gè)信號(hào)的電平對(duì)應(yīng)同一個(gè)角度坐標(biāo)，這樣再做最終數(shù)據(jù)處理時(shí)，角度電平采集所帶來(lái)的誤差就會(huì)小很多。

壓縮后的測(cè)試模式見(jiàn)表2。

 由于接收端的雙端口可以同時(shí)接受兩路信號(hào)，所以在接收端減少一個(gè)排列組合。由此，組合可以將表1的6個(gè)測(cè)試狀態(tài)壓縮為表2中的4個(gè)。在測(cè)試時(shí)間上可以減少到以前的2/3，同時(shí)增加了兩個(gè)端口垂直面的交叉極化性能指標(biāo)。而發(fā)射端還是采用集中發(fā)射的模式。如果進(jìn)一步對(duì)發(fā)射端進(jìn)行改進(jìn)，如增加信號(hào)鏈路、改造發(fā)射喇叭、由集中發(fā)射演進(jìn)成分散發(fā)射，理論上效率還可以得到成倍提高。

 如果更進(jìn)一步，將測(cè)試系統(tǒng)中的發(fā)射天線升級(jí)為雙端口雙極化發(fā)射天線，接收端也是雙端口一同接收，測(cè)試情況見(jiàn)表3。

 由表3可見(jiàn)，由于發(fā)射段的排列減少為一個(gè)，配合接收端一個(gè)組合，在這種情況下，一幅雙極化基站天線只需要轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行兩次3600掃描即可完成所有測(cè)試。測(cè)試效率得到了一倍的提高。

5分集概念的實(shí)施及測(cè)試系統(tǒng)的改造

 實(shí)驗(yàn)方法經(jīng)過(guò)論證后，進(jìn)入實(shí)現(xiàn)方案階段。在單發(fā)單收的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，結(jié)合實(shí)際情況，選擇了單發(fā)雙收的方案進(jìn)行升級(jí)。這個(gè)方案的特點(diǎn)是發(fā)射端不需要任何改動(dòng)，只需要在接收端進(jìn)行雙收的升級(jí)即可。

 網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測(cè)試的基礎(chǔ)儀表，雙端口的網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)無(wú)法滿足測(cè)試的需要，最終選擇了一塊4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀，其不僅能夠滿足目前單發(fā)雙收的測(cè)試方案，也能夠在未來(lái)滿足雙發(fā)雙收的測(cè)試方案。

 除了測(cè)試儀表，測(cè)試系統(tǒng)的鏈路搭建也是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雙收的方案重點(diǎn)是雙路接收信號(hào)的傳輸。單發(fā)單收的測(cè)試系統(tǒng)中，在接收端轉(zhuǎn)臺(tái)上使用傳統(tǒng)的單通道旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)即可滿足測(cè)試的需求，而雙路接收狀態(tài)下的雙路電信號(hào)則需要使用雙通道的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行傳輸，以保證轉(zhuǎn)臺(tái)的連續(xù)性。雙通道方案與單通道相比，不僅需要穩(wěn)定的鏈路，還需要兩個(gè)通道之間的低相關(guān)性，在技術(shù)指標(biāo)上表現(xiàn)為兩個(gè)信號(hào)通道之間的高隔離度。在天線測(cè)試中，前后比等指標(biāo)要求通常在25～30 dB,這就要求測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍大于30 dB，鏈路之間的隔離度也應(yīng)滿足系統(tǒng)最低要求，即信號(hào)通道之間的隔離度要大于30 dB,否則將會(huì)影響天線測(cè)試方向圖中一些硬性指標(biāo)的要求，從而影響測(cè)試結(jié)果的判定。

 在實(shí)際系統(tǒng)改造過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多方面考察和比較，選擇了進(jìn)口某品牌的雙路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在通信頻段內(nèi)能夠保證低損耗（雙路均小于1 dB）和高隔離度（大于30 dB）的鏈路。

 在網(wǎng)絡(luò)分析儀的購(gòu)置過(guò)程中，先后考察了兩家專業(yè)儀表公司生產(chǎn)的類似功能產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)全方面的比價(jià)后，選擇了其中一家公司的5071C產(chǎn)品，此網(wǎng)絡(luò)分析儀可以定義任意兩端口的發(fā)射和任意兩端口的接收。在測(cè)試調(diào)試時(shí)，選擇3號(hào)端口進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，1號(hào)和2號(hào)端口進(jìn)行信號(hào)接收。其中，1號(hào)定義為+450端口，2號(hào)定義為-450端口。

 另外，由于雙端口的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相比傳統(tǒng)單端口旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在體積方面有了顯著增加，無(wú)法在原有轉(zhuǎn)臺(tái)的基礎(chǔ)上安裝，為此對(duì)接收端的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行升級(jí)，在適應(yīng)大型雙端口旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的同時(shí)，也增加了承重等指標(biāo)。改造后的系統(tǒng)連接如圖2所示。關(guān)鍵的兩個(gè)改造點(diǎn)就是4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀和接收端兩條通路的設(shè)計(jì)和施工。6傳統(tǒng)測(cè)試方案與分集測(cè)試方案的結(jié)果比較

 系統(tǒng)改造完成后，為了能夠客觀地對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，選取了一副雙極化天線進(jìn)行輻射指標(biāo)的比對(duì)測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)包括增益、前后比、橫向交叉極化比、+600交叉極化比等。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4~表7。

 在增益測(cè)試中，改造前后的差值在+0.5 dB之內(nèi)，滿足天線測(cè)試判定的要求，在正常測(cè)試不確定度范圍以內(nèi)。說(shuō)明在改造過(guò)程中，多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀的特性完全滿足增益測(cè)試的精度要求，而兩條接收鏈路的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)，對(duì)增益測(cè)試的影響非常微小。

 前后比的測(cè)試結(jié)果差距在2.5 dB以內(nèi)，說(shuō)明差距在2倍以內(nèi)，滿足測(cè)試要求，不影響結(jié)果判定。軸向交叉極化比在20 dB以上，動(dòng)態(tài)范圍需要在100倍以上，差異在3 dB之內(nèi)，滿足測(cè)試要求，不影響測(cè)試結(jié)果判定。

 以上指標(biāo)需要疊加兩次旋轉(zhuǎn)測(cè)試的結(jié)果，而且都涉及主信號(hào)與背向小信號(hào)或交叉極化小信號(hào)進(jìn)行比較的過(guò)程，因此差異比增益和角度指標(biāo)的差異要大一些，但在測(cè)量不確定度范圍內(nèi)，而且對(duì)判定不產(chǎn)生任何影響。水平波瓣寬度和垂直波瓣寬度的改造對(duì)這幾個(gè)指標(biāo)沒(méi)有影響，比較結(jié)果見(jiàn)表8、表9。

 水平波瓣寬度和垂直波瓣寬度的差值最大都只有10，滿足測(cè)試判定要求，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀在相同時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)采集量是雙端口網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩倍，能夠滿足雙路接收的要求，改造對(duì)此項(xiàng)結(jié)果沒(méi)有任何影響。

7  結(jié)束語(yǔ)

 本文采用分集概念，進(jìn)行單發(fā)雙收方式的天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)改造，測(cè)試效率得到了成倍提高，基本達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試法的極致。而雙發(fā)雙收的測(cè)試方案由于發(fā)射端天線分集性能差暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行研究和探索。