基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的集束美化天線測(cè)量系統(tǒng)

王杏林，李 耿

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 檢測(cè)認(rèn)證中心，河北 石家莊 050081)

近年來，由于技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)商的需求，移動(dòng)通信基站天線逐漸由普通的定向和全向天線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬{(diào)天線和雙極化天線[1]，由單一頻段向?qū)掝l段轉(zhuǎn)變[2]，由單扇區(qū)覆蓋到集成全扇區(qū)覆蓋轉(zhuǎn)變，由單一板狀天線向更為人易于接受的美化天線轉(zhuǎn)變[3-6]。集束美化天線由于其可以在保證通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的前提下，具有美化環(huán)境、方便網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、延長(zhǎng)天線使用壽命等優(yōu)點(diǎn)[7]，越來越多的通信基站天線選用集束美化天線。圖1為兩種常見的集束美化天線，其中，圓筒型天線尺寸為580 mm×2 000 mm，重量為120 kg；方柱型天線尺寸為450 mm×450 mm×2 000 mm，重量為120 kg。

圖1 兩種常見美化天線

隨著集束美化天線的廣泛使用，針對(duì)集束美化天線的天線測(cè)試系統(tǒng)的需求也日益增長(zhǎng)。顯然，由于集束美化天線圓筒型或方柱型等異于板狀天線的外觀，傳統(tǒng)天線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其架設(shè)固定困難。同時(shí)，由前述參數(shù)可知，集束美化天線體積和重量較大，會(huì)造成傳統(tǒng)天線測(cè)試系統(tǒng)承重不足，更重要的是，當(dāng)天線垂直安裝測(cè)試時(shí)，由于集束美化天線重量過大，測(cè)試過程中容易出現(xiàn)滑落導(dǎo)致相位中心偏移現(xiàn)象，難以滿足輻射參數(shù)測(cè)試需求。因此，如何改進(jìn)測(cè)試方法，準(zhǔn)確評(píng)估集束天線性能成為亟待解決的問題[8-9]。

1 “U”型測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成及主要參數(shù)

圖2所示為改進(jìn)的天線測(cè)試系統(tǒng)，其采用了“U”型五軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)為“接收極化+雙側(cè)平移(電動(dòng))+上方位+俯仰+下方位(手動(dòng))”，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 “U”型五軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖

表1 “U”型轉(zhuǎn)臺(tái)主要參數(shù)與設(shè)計(jì)要求

此外，為了更好地實(shí)現(xiàn)滿足當(dāng)前實(shí)際需求的集束美化天線測(cè)試，改進(jìn)的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)還應(yīng)滿足[8-9]：(1) 可測(cè)天線最大重量達(dá)300 kg；可測(cè)試天線最大尺寸3.5 m；(2) 能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)試(常規(guī)普通天線一鍵測(cè)試)；(3) 固定方式牢固可靠，防止固定好的天線在測(cè)試過程中或測(cè)試結(jié)束時(shí)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象；(4) 天線安裝架設(shè)方便、操作簡(jiǎn)單；(5) 滿足對(duì)相位中心偏離機(jī)械中心天線測(cè)試需求；(6) 支持大口徑天線，如排氣管美化天線，直徑可達(dá)600 mm。

2 測(cè)試系統(tǒng)的工作過程及主要特點(diǎn)

目前，移動(dòng)通信基站天線輻射參數(shù)測(cè)試常用方法一般有兩種：室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)法和多探頭球面近場(chǎng)法[10-13]。由于電磁場(chǎng)輻射參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性最終判定是依賴于自由空間開闊測(cè)試場(chǎng)，因此本文利用室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)法來實(shí)現(xiàn)集束美化天線測(cè)量系統(tǒng)。

由于常見的集束美化天線有多端口單扇區(qū)和多端口多扇區(qū)兩種形式。因此，基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的天線測(cè)試系統(tǒng)工作流程將按照這兩種形式分別敘述。

對(duì)于多端口單扇區(qū)集束美化天線，其主要工作流程如下圖所示，首先調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)方位，使被測(cè)天線最大輻射方向?qū)?zhǔn)發(fā)射天線；接著極化旋轉(zhuǎn)180°，完成兩端口天線水平面(H面)測(cè)試，最后使得測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸旋轉(zhuǎn)360°，完成兩端口天線垂直面(E面)測(cè)試。

圖3 多端口單扇區(qū)集束美化天線測(cè)試流程

對(duì)于多端口多扇區(qū)的集束美化天線，其測(cè)試流程如圖4所示，其主要過程與圖3一致，區(qū)別在于對(duì)于多端口多扇區(qū)的集束美化天線需要進(jìn)行逐扇區(qū)測(cè)試。

圖4 多端口多扇區(qū)集束美化天線測(cè)試流程

需要注意的是，基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的天線測(cè)試系統(tǒng)采用由四端口網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)成的雙通道測(cè)試模式，即被測(cè)天線同時(shí)接收一路主極化和一路交叉極化信號(hào)，并由8通道電子開關(guān)自動(dòng)切換端口，測(cè)試效率是傳統(tǒng)單端口模式的8倍[14]。同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)采用掃頻多頻點(diǎn)測(cè)試模式，被測(cè)天線在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一次可以將所有所需頻點(diǎn)的輻射數(shù)據(jù)記錄保存下來，可以極大地提高測(cè)試效率。此外，如圖5所示，集束美化天線架設(shè)時(shí)，應(yīng)將其固定在“U”型架上，調(diào)整天線位置使天線的相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的方位轉(zhuǎn)軸中心重合(可以通過平移軸使兩中心重合)。

圖5 集束天線架設(shè)示意圖

由上述可知，基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的天線測(cè)試系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：(1) 一次安裝完成所有輻射面測(cè)試，而常規(guī)美化天線測(cè)試都是水平面需要安裝架設(shè)一次，垂直面需要再安裝架設(shè)一次；(2) 測(cè)試系統(tǒng)承重能力強(qiáng)，測(cè)試系統(tǒng)采用雙支臂極化軸旋轉(zhuǎn)完成H面方向圖測(cè)試，比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)單支臂承重能力強(qiáng)；(3)采用橫向滾筒式方式測(cè)量天線水平面輻射方向圖，避免了被測(cè)天線垂直架設(shè)測(cè)試，在測(cè)試過程中不會(huì)出現(xiàn)天線滑落導(dǎo)致相位中心偏移；(4)具有雙通道多頻點(diǎn)掃頻測(cè)量功能，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周可以同時(shí)分別測(cè)試兩個(gè)端口的主極化和交叉極化，并在多個(gè)頻點(diǎn)上記錄電平，可以成倍地提高工作效率。

3 測(cè)試系統(tǒng)影響因素分析及解決方案

對(duì)于集束美化天線測(cè)試而言，基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的天線測(cè)試系統(tǒng)相比傳統(tǒng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢(shì)，但在具體實(shí)踐時(shí)，為了保證測(cè)試精度和測(cè)試的可靠性，需要考慮以下幾個(gè)因素：

(1) 基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的天線測(cè)試系統(tǒng)采用極化軸旋轉(zhuǎn)的方式測(cè)試H面方向圖，在測(cè)試過程中天線主輻射方向會(huì)掃到轉(zhuǎn)臺(tái)下方的基座區(qū)域，而這一區(qū)域大部分為金屬件，會(huì)形成信號(hào)反射，影響天線測(cè)試結(jié)果；

(2) 在E面方向圖測(cè)試過程中，“U”型支臂旋轉(zhuǎn)軸對(duì)天線兩端測(cè)試數(shù)據(jù)有影響；

(3) 極化軸采用雙支臂雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此在測(cè)試過程中存在兩個(gè)極化軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的精準(zhǔn)同步問題。

針對(duì)上述問題，采取如下解決方案：

(1) 天線基座部分鋪設(shè)吸波材料，并在轉(zhuǎn)臺(tái)升起位置根據(jù)所需頻段測(cè)量剩余反射電平，測(cè)量方法采用自由空間駐波比法[15]。調(diào)整吸波材料鋪設(shè)方式，使基座部分的反射信號(hào)降低到指標(biāo)要求以下；

(2) 在極化旋轉(zhuǎn)軸處采用低損耗材料。同時(shí)，極化旋轉(zhuǎn)軸所可能影響的測(cè)試數(shù)據(jù)處在方向圖的±90°位置附近，根據(jù)現(xiàn)階段電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)天線要求標(biāo)準(zhǔn)，這兩處位置并不會(huì)影響研發(fā)工程師對(duì)天線輻射特性的判斷，對(duì)天線的實(shí)際應(yīng)用影響也不大；

(3) 控制電機(jī)脈沖和頻率和提高控制精度，以確保極化軸雙電機(jī)同步。在雙電機(jī)調(diào)試過程中，兩電機(jī)參數(shù)要互相匹配，控制系統(tǒng)要能精確控制電機(jī)脈沖和頻率才能保證兩電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。為了提高控制精度，系統(tǒng)采用光電角度編碼器，它將測(cè)得角度轉(zhuǎn)換成脈沖形式的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出[16]，編碼器精度<0.1°，由控制系統(tǒng)采集角度編碼器的角度值，保證整體系統(tǒng)的測(cè)試精度。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

針對(duì)第3部分所述問題，在實(shí)際系統(tǒng)中按照第3部分所提解決方案處理后，下面利用本文所提“U”型測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

選取同一款天線在傳統(tǒng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和升級(jí)改造后的“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)分別進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)所測(cè)數(shù)據(jù)高度吻合，只在天線背向時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)小范圍差異，這是因?yàn)樵谔炀€背向位置附近，接收信號(hào)電平很弱，甚至有時(shí)會(huì)低于噪聲電平，因此會(huì)存在差異。但需要注意的是，在實(shí)際工程中，該差異并不影響天線輻射參數(shù)指標(biāo)評(píng)定。

圖6 “U”型轉(zhuǎn)臺(tái)和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)H面方向圖

圖7 “U”型轉(zhuǎn)臺(tái)和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)E面方向圖

“U”型轉(zhuǎn)臺(tái)和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)輻射參數(shù)指標(biāo)對(duì)比表如表2所示。根據(jù)表2所示數(shù)據(jù)，可以看出“U”型轉(zhuǎn)臺(tái)和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)所測(cè)天線輻射參數(shù)指標(biāo)間差異很小，均在電信運(yùn)營(yíng)商天線輻射參數(shù)測(cè)試場(chǎng)地要求中屬于正常變動(dòng)的范圍內(nèi)，因此基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的天線測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的可靠性。

表2 “U”型轉(zhuǎn)臺(tái)和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié)束語

本文從集束美化天線的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合了集束美化天線的輻射參數(shù)測(cè)試需求，針對(duì)由集束美化天線引起的傳統(tǒng)天線測(cè)試系統(tǒng)相位中心偏移問題，提出了基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的集束美化天線測(cè)量系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)實(shí)際工作中的影響因素并給出了相應(yīng)的解決方案。測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)天線測(cè)試系統(tǒng)相比，基于“U”型測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的集束美化天線測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、承重大、無相位中心偏移、測(cè)試過程轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)均勻、測(cè)試可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足集束美化天線的測(cè)試需求，同時(shí)具有雙通道多頻點(diǎn)掃頻測(cè)量功能，可以有效地提高測(cè)試效率。