移動(dòng)通信基站駐波系數(shù)檢測及優(yōu)化

劉志敏

京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司

0 引言

移動(dòng)通信是當(dāng)前全球發(fā)展最快的行業(yè)之一，也是當(dāng)今高新技術(shù)的代表和國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)優(yōu)質(zhì)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，既有利于壯大信息消費(fèi)、拉動(dòng)有效投資，促進(jìn)工業(yè)化、信息化、新型城鎮(zhèn)化和農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)，也可以創(chuàng)造就業(yè)，擴(kuò)大內(nèi)需，推動(dòng)“內(nèi)循環(huán)”的穩(wěn)步發(fā)展?；诜涓C的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Thing，NB-IoT）是移動(dòng)通信在5G領(lǐng)域一個(gè)新的應(yīng)用，支持低功耗設(shè)備在廣覆蓋的廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。NB-IoT宏基站是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。NB-IoT宏基站為了提升線性度和效率，普遍使用數(shù)字預(yù)失真（Digital pre-Distortion，DPD）技術(shù)。

在實(shí)際工程使用過程中，天線異常、工程安裝不規(guī)范等問題，會(huì)導(dǎo)致基站輸出所接負(fù)載不匹配，回波顯著提高，導(dǎo)致設(shè)備輸出功率明顯降低、覆蓋范圍顯著縮小、覆蓋邊緣的物聯(lián)網(wǎng)終端接入不穩(wěn)定甚至離線。如果長期處于這種狀態(tài)，還將導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性下降、設(shè)備可靠性降低，甚至出現(xiàn)設(shè)備燒毀的現(xiàn)象?；诖?，駐波測試和告警就顯得尤為重要。

1 駐波檢測方案

劉暢遠(yuǎn)等學(xué)者描述了在雙工器輸出端參考點(diǎn)B處增加耦合器，耦合雙工器輸出端口前向和反向功率，然后計(jì)算出雙工器輸出口駐波。該方案在主通路上增加了額外耦合器，降低了基站輸出功率和靈敏度，同時(shí)，增加了耦合器和功率檢測電路，導(dǎo)致硬件成本明顯增加。

朱加強(qiáng)等學(xué)者描述了利用在PA（Power Amplifier）模塊和雙工器模塊之間耦合器，引出耦合器的反向功率，通過切換開關(guān)，復(fù)用DPD反饋回路進(jìn)行功率檢測。該方案成本增加不明顯，但是所檢測的是雙工器下行輸入口參考點(diǎn)A處的駐波，不是雙工器輸出口參考點(diǎn)B處的駐波。當(dāng)雙工器端口駐波不等于1時(shí)，該方案測量的駐波和實(shí)際駐波之間存在明顯誤差。如圖1所示。

圖1 宏基站駐波檢測方案

本設(shè)計(jì)在不顯著增加硬件成本、不在主鏈路增加額外損耗的前提下，精確測量并計(jì)算出參考點(diǎn)B處的駐波。

2 理論推導(dǎo)

二端口網(wǎng)絡(luò)可以使用S矩陣進(jìn)行描述，S參數(shù)矩陣方程定義為：其中，V和I分別為每一端口電壓和電流的列向量，zk0是每一端口

其中，ak是端口k的入射波，bk是端口k的反射波（k=1, 2）。的特性阻抗。

從上述S矩陣方程可以看出，當(dāng)2端口接匹配負(fù)載時(shí)，被完全吸收，為零：

可以看出，S11表示的物理意義是端口2接匹配負(fù)載時(shí)，端口1的電壓反射系數(shù)；S21表示的物理意義是端口2接匹配負(fù)載時(shí)，端口1到端口2的傳輸系數(shù)。

當(dāng)1端口接匹配負(fù)載時(shí)，b1被完全吸收，a1=0：

同理，可以看出，S22表示的物理意義是端口1接匹配負(fù)載時(shí)，端口2的電壓反射系數(shù)；S12表示的物理意義是端口1接匹配負(fù)載時(shí)，端口2到端口1的傳輸系數(shù)。

對(duì)于端口1：

3 駐波檢測方案實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，在上行低噪放輸入端口匹配較好的情況下，可以將雙工器等效為二端口網(wǎng)絡(luò)。其中，A參考面為端口1，B參考面為端口2。對(duì)于該二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)，以方程的形式描述如下：

對(duì)于該系統(tǒng)進(jìn)行如下校準(zhǔn)：在端口2分別接匹配負(fù)載、全反射負(fù)載和駐波為2（反射系數(shù)為1/3）的失配負(fù)載，從端口1輸入相同的入射波，測試端口1的反射波，分別記作a1，b11，b12，b13?？紤]到該雙工器是互易網(wǎng)絡(luò)，得到如下方程組：

在該方程組中，有S11，S12，S21，S22，a22，b22，a23，b23共8個(gè)未知數(shù)，解該八元一次方程組得到S11，S12，S21，S22。于是，得到了雙工器二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。

當(dāng)B參考面接任意負(fù)載時(shí)，都可以在A端口輸入入射波，測試入射波和反射波功率，從而計(jì)算出B端口的入射波a2和反射波b2。從B參考面向天線端看過去，入射波為b2，反射波為a2。通過b2和a2就可以計(jì)算出天線口的駐波系數(shù)：

4 結(jié)束語

利用功放和雙工器之間的DPD功率檢測，實(shí)現(xiàn)了功放末端的VSWR檢測。通過3次校準(zhǔn)，計(jì)算出雙工器二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，從而推導(dǎo)出使用雙工器前端入射功率和反射功率計(jì)算出天線口VSWR的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了低成本高精度的駐波檢測方案，在實(shí)際基站中得以應(yīng)用，取得較好的效果。