球面近場天線測量系統(tǒng)校準(zhǔn)中的一類不確定度分析*

周 峰， 孫景祿， 張碧慧， 吳 翔， 孫思揚， 袁修華， 張向陽

(1. 中國信息通信研究院 中國泰爾實驗室， 北京 100191； 2. 中國人民解放軍91668部隊， 上海 200080)

隨著4G/5G和NB-IOT等系統(tǒng)的發(fā)展， 無線通信系統(tǒng)中天線的部署數(shù)量日期增長， 同時天線向波束賦形和智能化發(fā)展， 天線在無線通信系統(tǒng)中的作用日益突出. 我國是移動通信天線生產(chǎn)大國， 出貨量占據(jù)全球的70%以上. 這就給天線的測量工作提出了巨大挑戰(zhàn)， 傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)速度較慢， 難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展. 近年來， 速度快、 可測量3D方向圖的多探頭球面近場測量系統(tǒng)得到了快速發(fā)展[1]， 我國深圳新益、 上海益麥、 法國Satimo等公司均研發(fā)銷售該類測量系統(tǒng)， 中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室就裝備了這種系統(tǒng)， 我國的主要天線制造商華為、 京信、 盛路、 通宇、 捷士通等也都裝備了多套該類系統(tǒng).

眾所周知， 準(zhǔn)確的測試測量是質(zhì)量的重要基礎(chǔ)， 而測試系統(tǒng)的計量校準(zhǔn)更是基礎(chǔ)之基礎(chǔ). 本文重點討論球面近場天線測量系統(tǒng)探頭校準(zhǔn)中的一類關(guān)鍵不確定度分量， 即校準(zhǔn)用天線角度偏移引起的探頭幅度相位一致性的不確定度.

1 空間角度誤差引入的不確定度

以一個典型的球面近場測量系統(tǒng)為例： 系統(tǒng)安裝在一個12 m×10 m×10 m的微波暗室內(nèi)， 采用了127個正交雙極化探頭， 均勻地分布在一個內(nèi)徑為6.4 m的大圓環(huán)上， 能夠在0.4～6.0 GHz頻段范圍內(nèi)對圓環(huán)圓周上的電磁場進(jìn)行實時采樣測試， 系統(tǒng)的運動控制器通過步進(jìn)電機， 驅(qū)動轉(zhuǎn)軸， 從而帶動天線轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)報桿及天線， 完成3維球面掃描測量過程.

圖 1 多探頭球面近場探頭一致性校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Diagram of conformance calibration for multi probe spherical near field probe

顯然， 在測量中， 探頭一致性要求每個探頭對相同輸入的響應(yīng)一致， 主要包含： 幅度均勻性、 相位均勻性. 場地鑒定時需要分別檢測探頭的上述性能.

多探頭球面近場探頭一致性檢測示意圖如圖 1 所示[2].

在對球面多探頭系統(tǒng)進(jìn)行探頭一致性測量和校準(zhǔn)時， 為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果， 需要盡量保證標(biāo)定天線與探頭天線對準(zhǔn). 在實際操作中， 由于轉(zhuǎn)臺的步進(jìn)精度、 對準(zhǔn)誤差等各項系統(tǒng)及操作誤差的存在， 天線對準(zhǔn)方向與理想情況之間總會存在一定的誤差， 在校準(zhǔn)用天線的坐標(biāo)系上， 將水平角誤差記為Δφ， 將垂直角誤差記為Δθ， 則重點考慮：

對準(zhǔn)角度誤差導(dǎo)致標(biāo)定天線最大增益方向偏離探頭方向， 從而導(dǎo)致探頭接收信號強度產(chǎn)生相對誤差； 同時使得標(biāo)定天線距探頭的距離發(fā)生變化， 從而導(dǎo)致探頭接收信號相位產(chǎn)生相對誤差.

這種相對誤差就是一個需要考慮的不確定度來源.

2 校準(zhǔn)用天線建模和分析

為了分析上述不確定， 就需要分析典型的校準(zhǔn)用喇叭天線的方向圖特性， 為此， 我們根據(jù)典型的天線構(gòu)造[3]， 建立了FDTD仿真模型， 如圖 2 所示， 進(jìn)而獲取了包含幅度和相位信息的3D方向圖數(shù)據(jù)， 如圖 3 所示， 然后對幅度相位誤差特性進(jìn)行分析.

圖 2 校準(zhǔn)用喇叭天線建模Fig.2 Modeling of calibrated horn antenna

圖 3 3D方向圖(增益參數(shù))Fig.3 3D antenna pattern(gain parameter)

需要指出的是， 在圖 3 所示坐標(biāo)系上， 在最大增益方向附近，θ是主要極化方向， 故而相位分析以電場Eθ為準(zhǔn). 進(jìn)而分析其誤差分布曲線. 由于分析圖表較多， 摘其典型的如圖 4～圖 11 所示. 分析仿真結(jié)果， 有兩個基本規(guī)律： 首先， 在角度誤差較小時， 增益、 相位誤差和角度誤差呈線性關(guān)系， 這是因為在自變量變化較小時， 函數(shù)曲線趨近于直線段. 其次， 一般而言頻率越高， 增益和相位誤差越大. 考慮到水平角誤差和垂直角誤差呈平均分布， 取擴展因子, 則6 GHz以內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量概算表如表 1 所示.

圖 4 水平角誤差Δφ引起的相對增益變化(0.9 GHz)Fig.4 The relative gain change caused by the horizontal angular error Δφ (0.9 GHz)

圖 5 垂直角誤差記為Δθ引起的相對增益變化(0.9 GHz)Fig.5 The relative gain change caused by the vertical angular error Δθ (0.9 GHz)

圖 6 水平角誤差Δφ引起的相對相位變化(0.9 GHz)Fig.6 Relative phase change caused by horizontal angular error Δφ (0.9 GHz)

圖 7 垂直角誤差記為Δθ引起的相對相位變化(0.9 GHz)Fig.7 Relative phase change caused by vertical angular error Δφ (0.9 GHz)

圖 8 水平角誤差Δφ引起的相對增益變化(6 GHz)Fig.8 Relative gain change caused by horizontal angular error Δφ(6 GHz)

圖 9 垂直角誤差記為Δθ引起的相對增益變化(6 GHz)Fig.9 Relative gain change caused by vertical angular error Δφ(6 GHz)

在使用高精度機械臂的前提下， 水平角誤差Δφ和垂直角誤差Δθ控制在±0.5°以內(nèi)是較容易的， 采用激光定位等手段， 可以控制在±0.1°以內(nèi)， 結(jié)合表 1， 可以發(fā)現(xiàn)這類幅度不確定度在0.01 dB以內(nèi)， 相位不確定度在0.03°以內(nèi)， 是比較小的.

圖 10 水平角誤差Δφ引起的相對相位變化(6 GHz)Fig.10 Relative phase change caused by horizontal angular error Δφ(6 GHz)

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量來源表述ug-Δφ水平角誤差Δφ引入的接收信號幅度不確定度0.09Δφ3,單位為dB,Δφ的單位為度ug-Δθ垂直角誤差Δθ引入的接收信號幅度不確定度0.08Δθ3,單位為dB,Δθ的單位為度up-Δφ水平角誤差Δφ引入的接收信號相位不確定度0.3Δφ3,單位為度,Δφ的單位為度up-Δθ垂直角誤差Δθ引入的接收信號相位不確定度0.28Δθ3,單位為度,Δθ的單位為度

3 近場效應(yīng)分析

如圖 1 所示， 在典型的測量場景下， 校準(zhǔn)天線到被校準(zhǔn)探頭的距離大約是6.4 m， 這個距離不能嚴(yán)格滿足遠(yuǎn)場條件. 如筆者之前撰文分析[4]， 近場條件下天線的等效增益一般低于遠(yuǎn)場增益， 此外， 按照標(biāo)準(zhǔn)[5]所述使用菲涅爾積分的方法計算喇叭天線的近場等效增益可以發(fā)現(xiàn)： 距離越近， 增益越小. 一般而言， 增益越小則意味著在最大增益方向上增益隨著空間角度變化的梯度較遠(yuǎn)場方向圖對應(yīng)的梯度小， 故而： 即使考慮近場效應(yīng)， 真實的不確定度分量也要比表1所列的小， 所以使用表 1 所列典型值計算， 是穩(wěn)妥的、 保守的.

4 結(jié) 論

球面近場天線測量系統(tǒng)多探頭校準(zhǔn)中存在一類不確定度分量， 即校準(zhǔn)用天線角度偏差引起的探頭幅度相位一致性的不確定度. 本文根據(jù)典型的天線構(gòu)造， 建立了FDTD仿真模型， 獲取了包含幅度和相位信息的3D方向圖數(shù)據(jù)， 進(jìn)而對幅度相位誤差特性進(jìn)行分析. 分析表明： 首先， 在角度誤差較小時， 增益、 相位誤差和角度誤差呈近似線性關(guān)系； 其次， 頻率越高， 增益和相位誤差越大. 本文給出了6GHz以內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量概算公式， 同時分析指出： 即使考慮近場效應(yīng)， 本文所列概算公式也是穩(wěn)妥保守的. 計算表明： 如空間角度誤差可以控制在±0.1°以內(nèi)， 這類不確定度是較小的.

[1] 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.

[2] 吳翔. YD/T 3182-2016 天線測量場地檢測方法(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))[S]. 中華人民共和國工業(yè)和信息化部， 2016.

[3] 趙建北. 超寬帶TEM加脊喇叭天線特性研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2013.

[4] Zhou Feng， Gao Yougang， et al. Distance boundary in antenna isolation calculation[C]. XXXI URSI General Assembly and Scientific Symposium， 2014.

[5] STD 1309-2013： IEEE Standard for Calibration of Electromagnetic Field Sensors and Probes， Excluding Antennas， From 9 kHz to 40 GHz[S]. p48-50. IEEE， 2013.