智能天線的測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試方法

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，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，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(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(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說，包括以下三類測(cè)試參數(shù)。
（1）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。
（2）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。
（3）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說，也可以分為三類測(cè)試參數(shù)。
（1）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。
（2）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。
（3）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　天線校準(zhǔn)電路測(cè)量示意
測(cè)量步驟如下：
（1）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；
（2）按測(cè)量系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)；
（3）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；
（4）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　有源回波損耗測(cè)量示意

有源輸入回波損耗間接測(cè)量步驟如下：

1）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；
（2）按測(cè)量系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)；
（3）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)；
（4）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)；
（5）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：=[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）；
（7）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(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(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。

圖3　天線增益測(cè)試示意

測(cè)試條件如下。
（1）被測(cè)天線與源天線具有相同的極化方式。
（2）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。
（4）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。
（1）增益基準(zhǔn)天線與源天線對(duì)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(shí)接收機(jī)接收功率電平為P1（dBm）。
（2）被測(cè)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(cè)天線與接收機(jī)相連，然后通過測(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）。
（3）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）。

（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。
（1）增益基準(zhǔn)天線與源天線對(duì)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(shí)接收機(jī)接收功率電平為P1（dBm）。
（2）被測(cè)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(cè)天線與接收機(jī)相連，然后通過測(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）。
（3）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）。

5） 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。