劈裂天線及其測(cè)試方法的探討

趙 權(quán)，蔡立欣

（中國(guó)信息通信研究院（中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室），北京 100045）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和用戶數(shù)量的不斷增多，現(xiàn)有頻率資源已經(jīng)無(wú)法滿足熱點(diǎn)區(qū)域業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。覆蓋和容量問(wèn)題逐步成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。劈裂天線能夠滿足人們對(duì)大容量天線的需求，不僅提高了移動(dòng)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，而且工程建設(shè)中只需更換天線、新增饋線以及疊加機(jī)柜即可。在無(wú)線電頻譜資源日益擁擠的今天，劈裂天線的使用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，劈裂天線的輻射方式區(qū)別于傳統(tǒng)天線，如何測(cè)試其參數(shù)成為關(guān)鍵問(wèn)題[1]。

1 劈裂天線與傳統(tǒng)天線的比較

劈裂天線是將兩根雙極化天線集成在一個(gè)天線罩中，使其原先的一個(gè)扇區(qū)分裂成兩個(gè)水平波寬為33°的扇區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)一面天線可以向法線兩側(cè)發(fā)射兩束波束。在天線架設(shè)時(shí)，可以做到三面天線支持6個(gè)扇區(qū)，且相比傳統(tǒng)天線，大幅提高了旁瓣抑制性能，降低了扇區(qū)間的干擾，有效提高了基站容量。以某4端口劈裂天線為測(cè)試樣本，其中端口1和端口2輻射方向?yàn)榉ň€左側(cè)30°，端口3和端口4輻射方向?yàn)榉ň€右側(cè)30°，通過(guò)在128球面近場(chǎng)測(cè)試，繪制了端口1和端口3的水平面方向圖，如圖1和圖2所示。

2 劈裂天線測(cè)試方案

2.1 多探頭球面近場(chǎng)測(cè)試方案

近場(chǎng)測(cè)試通過(guò)近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的中心計(jì)算機(jī)控制，掃描并采集天線近場(chǎng)區(qū)域的幅度和相位等信息，再通過(guò)傅立葉變換得到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的幅度、相位信息以及方向圖的分布情況。

圖3為實(shí)驗(yàn)室SG128球面近場(chǎng)暗室，采用法國(guó)MVG公司的測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)頻率范圍為400 MHz～6 GHz。暗室主要由10 m×10 m×12 m內(nèi)附高吸波材料的金屬屏蔽墻體為主體框架，以均勻分布在直徑為6.4 m的圓環(huán)架上的128個(gè)雙極化探頭和轉(zhuǎn)臺(tái)組成。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。將圓環(huán)中心作為天線坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)，垂直方向360°范圍內(nèi)電子掃描和水平180°范圍內(nèi)機(jī)械掃描相結(jié)合，組成了球面近場(chǎng)采樣基本方式。在測(cè)試過(guò)程中，8個(gè)通道能夠?qū)崟r(shí)切換狀態(tài)，可以一次測(cè)量得到8個(gè)通道的相位值，極大地提高了測(cè)試效率。

將某4端口劈裂天線架設(shè)在抱桿上并用扎帶綁緊，將連接射頻發(fā)射源的4根測(cè)試射頻線連接至被測(cè)天線的4個(gè)端口。測(cè)試過(guò)程中，射頻接收機(jī)會(huì)依次接收128個(gè)雙極化探頭的數(shù)據(jù)信息。天線隨轉(zhuǎn)臺(tái)作2.571°步進(jìn)的水平旋轉(zhuǎn)，每當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，圓環(huán)上的雙極化探頭依次采集127（128個(gè)探頭，其中1個(gè)為校準(zhǔn)口）個(gè)近場(chǎng)區(qū)域的幅值和相位信息。劈裂天線隨轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，完成一個(gè)通道的測(cè)試。天線隨轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)到初始位置，電子切換開(kāi)關(guān)切換到下一個(gè)通道繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)通道測(cè)試，直到最后一個(gè)通道測(cè)試完成。每個(gè)通道下的任一測(cè)試頻點(diǎn)都可以采集到球面上17 780個(gè)近場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息（兩個(gè)正交極化及其幅值相位）。將采集到的近場(chǎng)數(shù)據(jù)信息通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)變換技術(shù)，即可得到由17 780個(gè)近場(chǎng)數(shù)據(jù)信息生成的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。最后，應(yīng)用Satenv數(shù)據(jù)處理軟件處理數(shù)據(jù)，便可生成遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域球面上的任一點(diǎn)、任一切面以及任意立體角所張球面上的場(chǎng)強(qiáng)和通過(guò)功率[2]。

圖1 端口1水平面方向圖

圖2 端口3水平面方向

圖3 SG128球面近場(chǎng)暗室

128暗室的數(shù)據(jù)采集探頭采用的是正交極化方式的雙極化天線。因此，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，被測(cè)天線的安裝姿態(tài)固定不動(dòng)便可采集到交叉極化信息，天線隨轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°即可采集到被測(cè)天線球面上的全部數(shù)據(jù)信息。被測(cè)天線三維立體方向圖如圖4所示，圖示位置為某劈裂天線測(cè)試三維立體圖中最大輻射位置，增益值為18.56 dB。

圖4 三維立體方向圖

2.2 室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方案

遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試是直接測(cè)量待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試原理是通過(guò)源天線發(fā)射的平面波到達(dá)被測(cè)天線后，通過(guò)測(cè)量天線的接收參數(shù)，利用天線的互易性原理，得到天線的傳播特性參數(shù)。

在天線測(cè)試方案中，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試最直接。當(dāng)測(cè)試距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，入射波到達(dá)被測(cè)天線時(shí)近似于平面波。被測(cè)天線隨轉(zhuǎn)臺(tái)作360°旋轉(zhuǎn)，源喇叭天線可以極化旋轉(zhuǎn)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離需滿足遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)，測(cè)試距離越遠(yuǎn)時(shí)，空間損耗會(huì)越大。因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試只有一個(gè)探頭，所以單次測(cè)試只能畫出天線輻射球面上水平面或垂直面的一個(gè)切面。要想得到完整的輻射球面3D圖，則需要在不同的切面上進(jìn)行測(cè)量，大幅增加了測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本。因此，在劈裂天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中受測(cè)試效率和成本的影響，很難全面刻畫天線特性。受天線輻射方式、有限距離、環(huán)境因素、角度測(cè)量誤差以及測(cè)量裝置產(chǎn)生的誤差等影響，在測(cè)試過(guò)程中探頭很可能會(huì)偏離待測(cè)天線最大輻射方向的位置，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果無(wú)法反映天線的真實(shí)性能[3]。

3 測(cè)試結(jié)果分析

在天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中，受測(cè)試場(chǎng)地和測(cè)試效率的影響，一般不會(huì)畫出天線整個(gè)的3D方向圖。因?yàn)榕烟炀€較傳統(tǒng)天線的輻射方式不同，所以在天線輻射參數(shù)測(cè)試過(guò)程中很有可能偏離被測(cè)天線的最大輻射處所在切面。下面以SG128球面近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，分析因諸多因素造成的增益測(cè)試結(jié)果差異。

通過(guò)對(duì)某劈裂天線的下傾角為2°和頻點(diǎn)為1 755 MHz的某一端口測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。在被測(cè)劈裂天線3D圖中，增益在方位62°、俯仰92.5°位置取得最大值為18.56 dB。表1為當(dāng)俯仰角固定在92.5°時(shí)不同方位角所對(duì)應(yīng)的增益值，以此來(lái)模擬遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試垂直面方向圖時(shí)因位置偏離最大輻射方向而造成的測(cè)試結(jié)果差異。如圖5所示，天線偏離最大輻射位置越大時(shí)，測(cè)試所得增益值越不可靠。

表1 垂直面不同位置增益值

圖5 增益隨方位角變化

4 結(jié) 論

在劈裂天線方向圖測(cè)試中，由于遠(yuǎn)場(chǎng)單次測(cè)試只能畫出天線輻射球面的一個(gè)切面，受其輻射特性的影響，要得到劈裂天線較為可靠的數(shù)據(jù)需要不斷變換天線安裝角度來(lái)畫出天線輻射球面的更多切面。這種方式不僅測(cè)試效率低下且受人為因素影響，偏離最大輻射處越多，測(cè)試值越不能反映出天線最優(yōu)性能。在球面近場(chǎng)測(cè)試中，被測(cè)天線旋轉(zhuǎn)半周即可測(cè)得天線場(chǎng)點(diǎn)的全部信息，不需要重復(fù)調(diào)整和安裝天線，不僅提高了測(cè)試效率，還排除了在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中由于不斷變換安裝位置而產(chǎn)生的誤差。單次測(cè)試即可得到球面上任一點(diǎn)、任一切面以及任意立體角所張球面上的場(chǎng)點(diǎn)信息，通過(guò)軟件分析便可得到天線各個(gè)端口不同頻點(diǎn)的所有測(cè)試指標(biāo)。因此，在劈裂天線方向圖測(cè)試中,采用球面近場(chǎng)測(cè)試能更好更高效地反映出天線的實(shí)際性能。本文研究了劈裂天線的不同測(cè)試的方法，利用128球面近場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，研究室外遠(yuǎn)場(chǎng)和球面近場(chǎng)不同的測(cè)試方案，分析不同場(chǎng)地測(cè)試能力和測(cè)試效率，提出了不同測(cè)試方案的優(yōu)缺點(diǎn)，可為當(dāng)前劈裂天線測(cè)試提供參考。