一种提高天馈驻波检测精度的校准方法

吴广德,陈　瑾

(1.中兴通讯 西安研发中心,陕西 西安　710114;2.西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室,陕西 西安　710071)



一种提高天馈驻波检测精度的校准方法

吴广德1,陈瑾2

(1.中兴通讯 西安研发中心,陕西 西安710114;2.西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室,陕西 西安710071)

摘要从理论上分析了天馈系统驻波比检测精度低的原因,针对此原因提出了利用三点校准法提高天馈系统驻波比检测精度的方法。该方法基于矢量方式,较传统校准方法考虑的维度更多、信息更全面,大幅提高了驻波检测的精度,消除了驻波检测过程中可能出现的因天馈系统阻抗特性不同而引起的驻波比检测结果不同的不良表现,并使驻波检测的结果不随检测信号形式的变化而变化,提高了天馈系统驻波比检测的稳定性和可靠性和用户满意度,实验验证了该方法的正确性和有效性。

关键词基站;驻波检测;驻波校准;矢量校准

近些年来,无线通信技术的发展速度增长迅速,无线通信设备出现多个时代并存的情景,同时运营商的多元化,最终出现多个年代设备、多个频段设备、多个制式设备在同一个站点并存的局面;环境的复杂性,带来天馈系统的复杂性,有些天馈系统中天线架设错综复杂。为在开站、运营过程中能迅速判断基站故障与天馈故障,需要无线基站具有对天馈系统驻波比检测的功能,因为环境的复杂性,基站对天馈系统驻波比检测的精度要求越来越高,如今,基站对天馈系统的驻波比检测精度要求甚至<0.1,才能满足工程现场需求,因此,提高驻波比检测精度是天馈系统驻波比检测过程中亟待解决的问题。

1理论分析

随着无线通信技术的发展,基站天馈系统驻波比检测的精度要求越来越高,但检测电路原理大同小异,基本都是通过检测基站发射信号和反射信号,分析其信号特性来计算驻波比[1],如图1所示。

图1　基站典型天馈驻波检测电路示意图

理想情况下:(1)前、反向功率检测通道的增益是一致的;(2)前向功率对反向功率的泄露影响是不存在的,且基站内部电路本身的反射是不存在的;(3)天线端口的阻抗是真正的50 Ω。这时,天馈驻波检测电路是无需校准的,已知发射功率和反射功率,即可简单求取天馈系统的驻波比值。如图2所示,理想情况下,图中1、2、3其3处引入误差的几个途径是不存在的。

图2　影响驻波检测精度的几个因素

但在实际工作中,图2中引入误差的几个途径是一定存在的,而且一般情况下,其影响是不能被忽略的,于是产生了各种校准方法[2-7]。

方法1对图2中1处指示的前向功率检测通道和反向功率检测通道的差异进行校准。该方法解决了驻波检测的最大误差项,一定程度上把驻波检测的精度控制在一个可以参考的范围内,但由于该方法不能消除前向信号对反向信号泄漏造成的影响;不能消除检测电路本身存在的反射信号影响;不能消除因为天馈接口的非理想化阻抗带来的影响。因此当驻波比数值较小时,无法检测到精确数值,例如当实际驻波比<1.5时,系统可能因为泄露等因素的影响,无法检测出更准确的数值,只能以一个较大的驻波表示,如例1.5。

方法2除了考虑方法1的前反向功率检测通道的增益差异外,进一步考虑前向功率对反向功率影响、检测电路本身反射影响、天馈接口阻抗不理想影响等。具体说来,该方法是对天馈系统接理想匹配负载时,通过泄露、反射等途径进入反向功率检测通道的功率进行归一,即去除系统本身的原始影响。该方法在一定程度上解决了方法1的小驻波精确度问题,即使对接近1的驻波比都能准确检测到。然而,因为去除系统本身的原始影响是以功率形式去除的,实际影响是以时域电压信号施加的,势必会有相位的不确定因素在其中,导致基站驻波检测的结果往往会在天馈系统驻波比真实值的曲线上上下波动。

方法3矢量校准的方法,精确校准驻波检测电路的前、反向信号检测通道的增益差异;精确校准前向信号对反向信号的泄漏影响,及检测电路本身的反射影响;精确校准天馈接口的源端匹配状态。

方法1和方法2是基于标量校准的方法进行,它们能够一定程度上能够提高基站驻波检测的精度,但精度有限。本文重点对方法3进行介绍。

图3　基站驻波检测矢量校准的理论模型

前面阐述了影响天馈驻波检测精度的几个因素。其中,影响因素3是因为天线接口阻抗不理想带来的因素。如图4所示。

图4　任意源端阻抗、任意负载阻抗的反射模型

由电磁场基本理论,不难推导出:

将任意3种负载中的两个负载代入上式,整理,得

(1)

2实验验证

在实际系统中,为节省成本,硬件上前、反向检测通道一般是复用的,无法做到同时进行前、反向信号的采样,前、反向信号的取样一般在不同帧进行,为保证前、反向信号的相关性,必须要求不同帧发射的数据源一致。而真实的系统工作中,无法做到不同帧发射相同的数据源,否则就失去发射机本身的意义了。为解决这个问题,本文采取对发射数据源归一的办法,即无论前向检测数据,还是反向检测数据,都对各自的发射数据源对齐、归一化,这样等效保证了发射数据源的一致性。

在实际的系统中,发射数据源一般是宽带的,如LTE最大单载波带宽为20MHz,因为检测通道存在频点的群时延不同,天馈系统每个频点的电压反射系数也不同,这样的宽带数据源会导致前、反向采样信号的相位信息非常离散,无法得到一个准确的相位。为解决这个问题,本文通过一个高阶数字滤波器,将发生数据源的宽带信号滤波为一个非常窄带的类单音信号,窄带滤波器的带宽要以对前、反向取样信号的相位计算影响范围可以接受为准。

图5　驻波校准验证流程图

验证结果显示,对于小驻波情况,如驻波<2的情况,利用本文方法获取的负载驻波,同负载真实的驻波差距非常小,甚至仅在0.01级波动。

3应用实例

由上述推导、分析与验证,在基站系统中对前文的结论进行了实现。实现过程中,只需要保存任意3种负载的校准文件,其中包括这3种负载下的前、反向检测数据的矢量比值,及其真实的反射系数,利用上述公式,借助这些校准文件,系统获取待测试负载或天馈系统的前、反向采样数据的比值,即可计算得到该负载或天馈系统的真实驻波值。实验证实在小驻波情况下,精度可以控制在±0.1以内。

表1　矢量校准精度测试

同时,对矢量校准方法同标量校准方法进行了对比。由表2可见,矢量精度还是比标量精度提高了很多。

表2　标量、矢量校准精度对比测试

实际系统的应用验证,矢量校准的精度较标量校准的精度有了较大提高,小驻波情况下驻波的精度基本能够控制在±0.1以内,达到了预期的要求。

4结束语

本文为基站的天馈系统驻波比检测提供了一种高精度的校准方法,使得基站天馈系统的驻波能够精确检测,在不增加硬件成本的情况下,能够大幅提高基站天馈系统的驻波比检测精度,使得基站开站更迅速,运营故障定位更准确,对发射机天馈系统驻波比检测具有重要参考意义。需要进一步说明的是,虽然本文的推导是基于驻波检测电路的一种典型模型进行的,但推导出的结果是普遍使用的,广泛适用于采用前、反向采样信号进行驻波比检测的各种场合,反复的验证发现,能够简化为双端口网络的驻波检测电路都是适用的。

参考文献

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[4]孟令刚,郭海帆,张学波.驻波比测试仪的校准方法及不确定度分析[J].中国测试,2013,39(6):17-19.

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[6]侯政嘉.矢量网络分析仪误差模型及校正理论的研究[D].成都:电子科技大学,2005.

[7]赵伟.多端口矢量网络分析仪校准技术研究[D].成都:电子科技大学,2006.

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

中图分类号TN83

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-136-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.036

作者简介:吴广德(1979—),男,硕士,工程师。研究方向:无线通信,射频电路等。陈瑾(1981—),女,博士,副教授。研究方向:超宽带天线及射频电路等。

收稿日期:2015- 09- 06