基于分集技術(shù)的天線測試效率提升方案

安少賡，房育良，陳林

（中國信息通信研究院泰爾實驗室，北京 100045）

基于分集技術(shù)的天線測試效率提升方案

安少賡，房育良，陳林

（中國信息通信研究院泰爾實驗室，北京 100045）

隨著移動通信的發(fā)展，對天線測試的效率要求越來越高，但天線測試的效率受制于其測試原理。為了提高測試的效率，同時保證測試結(jié)果的準確性，決定引入分集技術(shù)的概念。在對分集技術(shù)進行實用化論證后，對現(xiàn)有的測試系統(tǒng)進行了改造。改造后的測試結(jié)果表明，采用分集技術(shù)可以大幅提高測試效率，同時保證測試的準確性，具有良好的技術(shù)發(fā)展前景和經(jīng)濟效益。

天線測試；分集技術(shù)；空間分集；遠場測試

1 引言

天線測試在生產(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。在運營商選型和采購的環(huán)節(jié)，天線測試更是衡量天線產(chǎn)品質(zhì)量唯一的手段。面對目前快速發(fā)展的天線測試需求，如何在確保高測試質(zhì)量的情況下提高測試的效率，成為了第三方實驗室研究的一大方向。本文分5個部分，重點介紹了天線測試的重要性；目前天線遠場測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試精度的對比。

2 天線測試的重要性

移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋的質(zhì)量對于無線通信的性能來說非常重要。而網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，除了基站等主設(shè)備按照設(shè)計要求產(chǎn)生基站信號外，還需要將信號均勻地發(fā)射到日常生活工作的環(huán)境中。天線作為無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中電流與電磁場轉(zhuǎn)換的裝置，其性能優(yōu)劣至關(guān)重要。天線對電流轉(zhuǎn)換的效率和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電磁場的波形是評價其產(chǎn)品質(zhì)量的兩個重要指標。如果這兩個指標與設(shè)計值相比出現(xiàn)了較大的偏差，對網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生嚴重影響，可能會造成網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不足，也會造成多小區(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［1］。

無線網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計初期，對于覆蓋的要求是理想化的蜂窩結(jié)構(gòu)。在實現(xiàn)過程中，需要使用站點選址、天線架設(shè)、路測、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等各種手段來確保實際的網(wǎng)絡(luò)情況與設(shè)計的盡量保持一致。在這過程中，對于天線的使用，是按照產(chǎn)品的標稱技術(shù)指標進行的。如果天線實際的性能與標稱的指標不一致，沒有達到預(yù)期的效果，在網(wǎng)絡(luò)使用過程中將會出現(xiàn)很多問題，待發(fā)現(xiàn)問題后，再進行彌補，將會費時、費力、費成本。因此在天線上塔之前進行質(zhì)量的保證，對于無線網(wǎng)絡(luò)的組建是非常重要的。

鑒于天線質(zhì)量對網(wǎng)絡(luò)的重要程度，各大網(wǎng)絡(luò)運營商和生產(chǎn)廠商對此都高度重視。產(chǎn)品選型、集中采購、到貨檢查等各個階段都制定了詳盡的測試計劃，以保證即將上網(wǎng)使用產(chǎn)品的性能。而生產(chǎn)廠商則通過提高產(chǎn)品設(shè)計方案、制作工藝和生產(chǎn)材料等級等方案提高產(chǎn)品質(zhì)量，并在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，對天線的電路參數(shù)等一些技術(shù)指標進行全檢或抽檢，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕不合格產(chǎn)品出廠。

目前對天線質(zhì)量的控制，最主要的手段就是抽樣檢測。檢測的內(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)的測試對于實驗室測試系統(tǒng)、測量技術(shù)、人員素質(zhì)和測量方法的要求最為嚴格。

3 天線遠場測試的原理及影響效率的因素

目前天線輻射方向圖的測試手段大致分為兩種：一種是遠場法測試，在滿足被測天線遠場距離的測試場里，進行掃描測試，記錄天線在各角度上接收到的電平值；另一種是近場法測試，通過電場探頭，在距離被測天線若干個波長的距離上進行掃描測量，記錄所測量到的幅度和相位，再經(jīng)過數(shù)學(xué)公式變換，轉(zhuǎn)換出在遠場距離下的天線方向圖。本文中所討論的天線測試方法是基于遠場的。遠場條件的計算式為：

其中，D為被測天線的口徑，λ為測試頻率的波長。

通過式（1）計算出相應(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地上進行天線的掃描測試［2］。遠場法測試的結(jié)果是最直接、最接近實際使用情況的，方向圖直接反映了產(chǎn)品的輻射性能。而在測試速度、效率等方面則受測試系統(tǒng)機械部分的制約，其精度和速度是相互影響的兩個重要因素。傳統(tǒng)的遠場法測試需要調(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360°的掃描，以取得相應(yīng)切面上的角度幅度值。通過角度和幅度的對應(yīng)關(guān)系，形成天線的方向圖，并計算出相應(yīng)的指標，對天線的性能進行判定。通常一根天線測試需要進行至少6個切面的掃描，才能夠達到滿足所有指標要求的測試。而掃描的速度，則根據(jù)掃描頻點的數(shù)量多少而不同，如果要求的頻點數(shù)目多，一個切面的掃描時間可能會長達10 min。一個固定下傾角天線的測試時間在1 h左右，而對于電調(diào)天線，一根天線的測試時間將會超過3 h。

相比之下，近場法測試中，電場探頭在接收到電信號的幅度和相位后，還要帶入復(fù)雜的公式進行計算，生成模擬遠場情況的方向圖，結(jié)果受很多因素的影響，可能與實際的遠場方向圖會有很大的偏差。但在測試速度上，近場法可以在幾分鐘之內(nèi)完成天線多個頻點上的3D方向圖［3］。相比之下，測試效率更高。

目前各種天線測試的需求越來越多，從天線生產(chǎn)廠商的認證測試，到運營商的選型、集采及到貨抽檢等測試。采用傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)無法完成巨大的測試需求。對此，必須在保證測試精度的情況下提高測試的速度。

通過網(wǎng)絡(luò)分析儀方案進行遠場法測試的系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 采用網(wǎng)絡(luò)分析儀的單發(fā)單收測量系統(tǒng)示意

由圖1可見，由兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出單路掃頻信號，通過單端口單極化發(fā)射天線向空間輻射掃頻信號，接收端多端口被測天線將接收到的信號經(jīng)過配備單通道關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)臺傳送至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端，在計算機及轉(zhuǎn)臺控制器的組合控制下實現(xiàn)對被測天線的旋轉(zhuǎn)控制，實現(xiàn)360°空間中電磁波信號的連續(xù)不間斷數(shù)據(jù)采集。

4 分集技術(shù)概念及其在天線測試中的應(yīng)用

為了提高測試效率，已經(jīng)將信號源接收機測試升級為網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，將以前單頻點掃描變?yōu)槿l段多頻點掃描，測試時間有了成倍的縮短；同時，如何繼續(xù)提高效率，成為目前要解決的問題。經(jīng)過長期考察和經(jīng)驗積累，將突破點放在空間分集測試方面。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、時間分集和碼域 分 集 等 方 面［4］。

在天線的遠場測試方面，已經(jīng)采取頻率分集的方式，將測試效率提高了n倍（n為網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定的頻點數(shù)），在雙端口天線的測試過程中，每個端口都需要按照表1中的順序進行6次掃描測試，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。

表1 單發(fā)單收測試情況

由表1可見，在發(fā)射端+45°極化發(fā)射的狀態(tài)下，+45°端口進行了表1中狀態(tài)（1）的測試，在相同的狀態(tài)下，-45°端口也會進行表1中狀態(tài)（4）的測試。

同理，在發(fā)射端-45°極化發(fā)射的同時，兩個接收端口也進行了表1中狀態(tài)（2）和狀態(tài)（6）的測試。極化分集在天線的測試系統(tǒng)中指某一極化集中發(fā)射，被測天線兩個或多個端口分散接收，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相互之間沒有影響［5］。從而可以在同一時間內(nèi)采集兩個相互正交極化端口的數(shù)據(jù)，成倍提升測試速度。

如果能夠在同一時間采集±45°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）的測試放在一起，同樣狀態(tài)（2）和狀態(tài)（6）也可以壓縮為一個狀態(tài)。

這種測試模式與原先單發(fā)單收的原理是相同的。在被測天線圍繞上方位軸進行360°旋轉(zhuǎn)時，任何角度坐標狀態(tài)下都會有主極化和交叉極化兩個電信號同時被測量和記錄。而這兩個信號的電平對應(yīng)同一個角度坐標，這樣再做最終數(shù)據(jù)處理時，角度電平采集所帶來的誤差就會小很多。

壓縮后的測試模式見表2。

由于接收端的雙端口可以同時接受兩路信號，所以在接收端減少一個排列組合。由此，組合可以將表1的6個測試狀態(tài)壓縮為表2中的4個。在測試時間上可以減少到以前的2／3，同時增加了兩個端口垂直面的交叉極化性能指標。而發(fā)射端還是采用集中發(fā)射的模式。如果進一步對發(fā)射端進行改進，如增加信號鏈路、改造發(fā)射喇叭、由集中發(fā)射演進成分散發(fā)射，理論上效率還可以得到成倍提高。

如果更進一步，將測試系統(tǒng)中的發(fā)射天線升級為雙端口雙極化發(fā)射天線，接收端也是雙端口一同接收，測試情況見表3。

表2 單發(fā)雙收測試情況

表3 雙發(fā)雙收測試情況

由表3可見，由于發(fā)射段的排列減少為一個，配合接收端一個組合，在這種情況下，一幅雙極化基站天線只需要轉(zhuǎn)臺進行兩次360°掃描即可完成所有測試。測試效率得到了一倍的提高。

5 分集概念的實施及測試系統(tǒng)的改造

實驗方法經(jīng)過論證后，進入實現(xiàn)方案階段。在單發(fā)單收的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)論證，結(jié)合實際情況，選擇了單發(fā)雙收的方案進行升級。這個方案的特點是發(fā)射端不需要任何改動，只需要在接收端進行雙收的升級即可。

網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測試的基礎(chǔ)儀表，雙端口的網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)無法滿足測試的需要，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)雙收的測試方案，也能夠在未來滿足雙發(fā)雙收的測試方案。

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

在實際系統(tǒng)改造過程中，經(jīng)過多方面考察和比較，選擇了進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)分析儀的購置過程中，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)過全方面的比價后，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。在測試調(diào)試時，選擇3號端口進行信號發(fā)射，1號和2號端口進行信號接收。其中，1號定義為+45°端口，2號定義為-45°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，無法在原有轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)上安裝，為此對接收端的轉(zhuǎn)臺進行升級，在適應(yīng)大型雙端口旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的同時，也增加了承重等指標。改造后的系統(tǒng)連接如圖2所示。關(guān)鍵的兩個改造點就是4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀和接收端兩條通路的設(shè)計和施工。

圖2 采用網(wǎng)絡(luò)分析儀的單發(fā)雙收測量系統(tǒng)示意

6 傳統(tǒng)測試方案與分集測試方案的結(jié)果比較

系統(tǒng)改造完成后，為了能夠客觀地對新系統(tǒng)進行評估，選取了一副雙極化天線進行輻射指標的比對測試，測試指標包括增益、前后比、橫向交叉極化比、±60°交叉極化比等。測試結(jié)果見表4～表7。

表4 增益比較

表5 前后比比較結(jié)果

表6 軸向交叉極化比比較結(jié)果

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

表7 ±60°交叉極化比比較結(jié)果

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

以上指標需要疊加兩次旋轉(zhuǎn)測試的結(jié)果，而且都涉及主信號與背向小信號或交叉極化小信號進行比較的過程，因此差異比增益和角度指標的差異要大一些，但在測量不確定度范圍內(nèi)，而且對判定不產(chǎn)生任何影響。水平波瓣寬度和垂直波瓣寬度的改造對這幾個指標沒有影響，比較結(jié)果見表8、表9。

表8 水平波瓣寬度比較結(jié)果

表9 垂直波瓣寬度比較結(jié)果

水平波瓣寬度和垂直波瓣寬度的差值最大都只有1°，滿足測試判定要求，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，改造對此項結(jié)果沒有任何影響。

7 結(jié)束語

本文采用分集概念，進行單發(fā)雙收方式的天線遠場測試系統(tǒng)改造，測試效率得到了成倍提高，基本達到遠場測試法的極致。而雙發(fā)雙收的測試方案由于發(fā)射端天線分集性能差暫時無法實現(xiàn)，后續(xù)將進一步進行研究和探索。

［1］路怡，李志強，鄒飛非.移動通信網(wǎng)絡(luò)干擾與基站天線的關(guān)系研究［J］.移動通信，2011，35（1）：43-47.LU Y，LI Z Q，ZOU F F.Research on the relationship between mobile communication network interference and base station antenna mobile communication ［J］.Mobile Communications，2011，35（1）：43-47.

［2］薛鋒章，楊林.移動通信基站天線遠場測量最小距離準則［J］.移動通信，2013（17）：55-59.XUE F Z，YANG L.Minimum distance criterion for far field measurement of mobile communication base station antenna，mobile communication ［J］.Mobile Communications，2013（17）：55-59.

［3］張福順，焦永昌，毛乃宏.天線近場測量的綜述［J］.電子學(xué)報，1997（9）：74-77.ZHANG F S，JIAO Y C，MAO N H.An outline of near field antenna measurement［J］.Acta Electronica Sinica，1997（9）：74-77.

［4］王華奎，張立毅，李鴻燕.移動通信原理與技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.WANG H K，ZHANG L Y，LI H Y.Principle and technology of mobile communication ［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2009.

［5］周峰，高峰，張武榮，等.移動通信天線技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2015：11-12.ZHOU F，GAO F，ZHANG W R，et al.Antenna technologies and applications in mobile communication system ［M］.Beijing：Posts and Telecom Press，2015：11-12.

Efficiency improvement of antenna testing based on diversity technology

AN Shaogeng，F(xiàn)ANG Yuliang，CHEN Lin
China Telecommunication Technology Labs，China Academy of Telecommunication Research of MIIT，Beijing 100045，China

With the development of mobile communication，the efficiency of the antenna test demand is higher and higher，but antenna test efficiency is subject to the testing principle.In order to improve the test efficiency while ensuring accuracy of test results，the concept of diversity test was introduced.After argument and research，the test system was reformed.The test results show that the test method of diversity ensures the accuracy of the test，and the test efficiency has been greatly improved，and it has a good technical development prospects and economic benefits.

antenna measurement，diversity technology，space diversity reception，far field measurement

TN929.53

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016091

2016-02-20；

2016-03-07

安少賡（1979-），男，中國信息通信研究院泰爾實驗室工程師，主要研究方向為天線測試、電磁兼容測試。

房育良（1988-），男，中國信息通信研究院泰爾實驗室工程師，主要研究方向為天線測試、電磁兼容測試。

陳林（1983-），男，中國信息通信研究院泰爾實驗室助理工程師，主要研究方向為天線測試。