一種提高天饋駐波檢測精度的校準(zhǔn)方法

吳廣德,陳　瑾

(1.中興通訊 西安研發(fā)中心,陜西 西安　710114;2.西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安　710071)

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一種提高天饋駐波檢測精度的校準(zhǔn)方法

吳廣德1,陳瑾2

(1.中興通訊 西安研發(fā)中心,陜西 西安710114;2.西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710071)

摘要從理論上分析了天饋系統(tǒng)駐波比檢測精度低的原因,針對此原因提出了利用三點(diǎn)校準(zhǔn)法提高天饋系統(tǒng)駐波比檢測精度的方法。該方法基于矢量方式,較傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法考慮的維度更多、信息更全面,大幅提高了駐波檢測的精度,消除了駐波檢測過程中可能出現(xiàn)的因天饋系統(tǒng)阻抗特性不同而引起的駐波比檢測結(jié)果不同的不良表現(xiàn),并使駐波檢測的結(jié)果不隨檢測信號形式的變化而變化,提高了天饋系統(tǒng)駐波比檢測的穩(wěn)定性和可靠性和用戶滿意度,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞基站;駐波檢測;駐波校準(zhǔn);矢量校準(zhǔn)

近些年來,無線通信技術(shù)的發(fā)展速度增長迅速,無線通信設(shè)備出現(xiàn)多個時代并存的情景,同時運(yùn)營商的多元化,最終出現(xiàn)多個年代設(shè)備、多個頻段設(shè)備、多個制式設(shè)備在同一個站點(diǎn)并存的局面;環(huán)境的復(fù)雜性,帶來天饋系統(tǒng)的復(fù)雜性,有些天饋系統(tǒng)中天線架設(shè)錯綜復(fù)雜。為在開站、運(yùn)營過程中能迅速判斷基站故障與天饋故障,需要無線基站具有對天饋系統(tǒng)駐波比檢測的功能,因?yàn)榄h(huán)境的復(fù)雜性,基站對天饋系統(tǒng)駐波比檢測的精度要求越來越高,如今,基站對天饋系統(tǒng)的駐波比檢測精度要求甚至<0.1,才能滿足工程現(xiàn)場需求,因此,提高駐波比檢測精度是天饋系統(tǒng)駐波比檢測過程中亟待解決的問題。

1理論分析

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,基站天饋系統(tǒng)駐波比檢測的精度要求越來越高,但檢測電路原理大同小異,基本都是通過檢測基站發(fā)射信號和反射信號,分析其信號特性來計算駐波比[1],如圖1所示。

圖1　基站典型天饋駐波檢測電路示意圖

理想情況下:(1)前、反向功率檢測通道的增益是一致的;(2)前向功率對反向功率的泄露影響是不存在的,且基站內(nèi)部電路本身的反射是不存在的;(3)天線端口的阻抗是真正的50 Ω。這時,天饋駐波檢測電路是無需校準(zhǔn)的,已知發(fā)射功率和反射功率,即可簡單求取天饋系統(tǒng)的駐波比值。如圖2所示,理想情況下,圖中1、2、3其3處引入誤差的幾個途徑是不存在的。

圖2　影響駐波檢測精度的幾個因素

但在實(shí)際工作中,圖2中引入誤差的幾個途徑是一定存在的,而且一般情況下,其影響是不能被忽略的,于是產(chǎn)生了各種校準(zhǔn)方法[2-7]。

方法1對圖2中1處指示的前向功率檢測通道和反向功率檢測通道的差異進(jìn)行校準(zhǔn)。該方法解決了駐波檢測的最大誤差項(xiàng),一定程度上把駐波檢測的精度控制在一個可以參考的范圍內(nèi),但由于該方法不能消除前向信號對反向信號泄漏造成的影響;不能消除檢測電路本身存在的反射信號影響;不能消除因?yàn)樘祓伣涌诘姆抢硐牖杩箮淼挠绊憽Ｒ虼水?dāng)駐波比數(shù)值較小時,無法檢測到精確數(shù)值,例如當(dāng)實(shí)際駐波比<1.5時,系統(tǒng)可能因?yàn)樾孤兜纫蛩氐挠绊?無法檢測出更準(zhǔn)確的數(shù)值,只能以一個較大的駐波表示,如例1.5。

方法2除了考慮方法1的前反向功率檢測通道的增益差異外,進(jìn)一步考慮前向功率對反向功率影響、檢測電路本身反射影響、天饋接口阻抗不理想影響等。具體說來,該方法是對天饋系統(tǒng)接理想匹配負(fù)載時,通過泄露、反射等途徑進(jìn)入反向功率檢測通道的功率進(jìn)行歸一,即去除系統(tǒng)本身的原始影響。該方法在一定程度上解決了方法1的小駐波精確度問題,即使對接近1的駐波比都能準(zhǔn)確檢測到。然而,因?yàn)槿コ到y(tǒng)本身的原始影響是以功率形式去除的,實(shí)際影響是以時域電壓信號施加的,勢必會有相位的不確定因素在其中,導(dǎo)致基站駐波檢測的結(jié)果往往會在天饋系統(tǒng)駐波比真實(shí)值的曲線上上下波動。

方法3矢量校準(zhǔn)的方法,精確校準(zhǔn)駐波檢測電路的前、反向信號檢測通道的增益差異;精確校準(zhǔn)前向信號對反向信號的泄漏影響,及檢測電路本身的反射影響;精確校準(zhǔn)天饋接口的源端匹配狀態(tài)。

方法1和方法2是基于標(biāo)量校準(zhǔn)的方法進(jìn)行,它們能夠一定程度上能夠提高基站駐波檢測的精度,但精度有限。本文重點(diǎn)對方法3進(jìn)行介紹。

圖3　基站駐波檢測矢量校準(zhǔn)的理論模型

前面闡述了影響天饋駐波檢測精度的幾個因素。其中,影響因素3是因?yàn)樘炀€接口阻抗不理想帶來的因素。如圖4所示。

圖4　任意源端阻抗、任意負(fù)載阻抗的反射模型

由電磁場基本理論,不難推導(dǎo)出:

將任意3種負(fù)載中的兩個負(fù)載代入上式,整理,得

(1)

2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際系統(tǒng)中,為節(jié)省成本,硬件上前、反向檢測通道一般是復(fù)用的,無法做到同時進(jìn)行前、反向信號的采樣,前、反向信號的取樣一般在不同幀進(jìn)行,為保證前、反向信號的相關(guān)性,必須要求不同幀發(fā)射的數(shù)據(jù)源一致。而真實(shí)的系統(tǒng)工作中,無法做到不同幀發(fā)射相同的數(shù)據(jù)源,否則就失去發(fā)射機(jī)本身的意義了。為解決這個問題,本文采取對發(fā)射數(shù)據(jù)源歸一的辦法,即無論前向檢測數(shù)據(jù),還是反向檢測數(shù)據(jù),都對各自的發(fā)射數(shù)據(jù)源對齊、歸一化,這樣等效保證了發(fā)射數(shù)據(jù)源的一致性。

在實(shí)際的系統(tǒng)中,發(fā)射數(shù)據(jù)源一般是寬帶的,如LTE最大單載波帶寬為20MHz,因?yàn)闄z測通道存在頻點(diǎn)的群時延不同,天饋系統(tǒng)每個頻點(diǎn)的電壓反射系數(shù)也不同,這樣的寬帶數(shù)據(jù)源會導(dǎo)致前、反向采樣信號的相位信息非常離散,無法得到一個準(zhǔn)確的相位。為解決這個問題,本文通過一個高階數(shù)字濾波器,將發(fā)生數(shù)據(jù)源的寬帶信號濾波為一個非常窄帶的類單音信號,窄帶濾波器的帶寬要以對前、反向取樣信號的相位計算影響范圍可以接受為準(zhǔn)。

圖5　駐波校準(zhǔn)驗(yàn)證流程圖

驗(yàn)證結(jié)果顯示,對于小駐波情況,如駐波<2的情況,利用本文方法獲取的負(fù)載駐波,同負(fù)載真實(shí)的駐波差距非常小,甚至僅在0.01級波動。

3應(yīng)用實(shí)例

由上述推導(dǎo)、分析與驗(yàn)證,在基站系統(tǒng)中對前文的結(jié)論進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)過程中,只需要保存任意3種負(fù)載的校準(zhǔn)文件,其中包括這3種負(fù)載下的前、反向檢測數(shù)據(jù)的矢量比值,及其真實(shí)的反射系數(shù),利用上述公式,借助這些校準(zhǔn)文件,系統(tǒng)獲取待測試負(fù)載或天饋系統(tǒng)的前、反向采樣數(shù)據(jù)的比值,即可計算得到該負(fù)載或天饋系統(tǒng)的真實(shí)駐波值。實(shí)驗(yàn)證實(shí)在小駐波情況下,精度可以控制在±0.1以內(nèi)。

表1　矢量校準(zhǔn)精度測試

同時,對矢量校準(zhǔn)方法同標(biāo)量校準(zhǔn)方法進(jìn)行了對比。由表2可見,矢量精度還是比標(biāo)量精度提高了很多。

表2　標(biāo)量、矢量校準(zhǔn)精度對比測試

實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證,矢量校準(zhǔn)的精度較標(biāo)量校準(zhǔn)的精度有了較大提高,小駐波情況下駐波的精度基本能夠控制在±0.1以內(nèi),達(dá)到了預(yù)期的要求。

4結(jié)束語

本文為基站的天饋系統(tǒng)駐波比檢測提供了一種高精度的校準(zhǔn)方法,使得基站天饋系統(tǒng)的駐波能夠精確檢測,在不增加硬件成本的情況下,能夠大幅提高基站天饋系統(tǒng)的駐波比檢測精度,使得基站開站更迅速,運(yùn)營故障定位更準(zhǔn)確,對發(fā)射機(jī)天饋系統(tǒng)駐波比檢測具有重要參考意義。需要進(jìn)一步說明的是,雖然本文的推導(dǎo)是基于駐波檢測電路的一種典型模型進(jìn)行的,但推導(dǎo)出的結(jié)果是普遍使用的,廣泛適用于采用前、反向采樣信號進(jìn)行駐波比檢測的各種場合,反復(fù)的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),能夠簡化為雙端口網(wǎng)絡(luò)的駐波檢測電路都是適用的。

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A Calibration Method for Standing Wave Accurate Measurement of Antenna Feeding System

WU Guangde1,CHEN Jin2

(1.Research and Development Center,ZTE,Xi’an 710114,China;2.State Key Laboratory of Antenna and Microwave Science and Technology,Xidian University,Xi’an 710071,China)

AbstractA calibration method for standing wave accurate measurement of antenna feeding system is proposed in this paper.The reason why the detection precision is not high enough is analyzed and then a method which utilizes the three-point calibration method for increasing the detection precision is proposed.This method is based on vector with more dimensions in consideration,thus more comprehensive information to improve the detection precision of standing wave ratio.A variety of adverse effects caused by the system which may appear in the testing process are removed,and the test result does not change with the form of detection signals.The stability and reliability of the test result is improved.The correctness and effectiveness are demonstrated by experiment.

Keywordsbase station;VSWR test;standing wave calibration;vector calibration

中圖分類號TN83

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-136-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.036

作者簡介:吳廣德(1979—),男,碩士,工程師。研究方向:無線通信,射頻電路等。陳瑾(1981—),女,博士,副教授。研究方向:超寬帶天線及射頻電路等。

收稿日期:2015- 09- 06