基于“U”型测试转台的集束美化天线测量系统

王杏林，李 耿

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 检测认证中心，河北 石家庄 050081)

近年来，由于技术的发展和运营商的需求，移动通信基站天线逐渐由普通的定向和全向天线，转变为电调天线和双极化天线[1]，由单一频段向宽频段转变[2]，由单扇区覆盖到集成全扇区覆盖转变，由单一板状天线向更为人易于接受的美化天线转变[3-6]。集束美化天线由于其可以在保证通信网络质量的前提下，具有美化环境、方便网络建设、延长天线使用寿命等优点[7]，越来越多的通信基站天线选用集束美化天线。图1为两种常见的集束美化天线，其中，圆筒型天线尺寸为580 mm×2 000 mm，重量为120 kg；方柱型天线尺寸为450 mm×450 mm×2 000 mm，重量为120 kg。

图1 两种常见美化天线

随着集束美化天线的广泛使用，针对集束美化天线的天线测试系统的需求也日益增长。显然，由于集束美化天线圆筒型或方柱型等异于板状天线的外观，传统天线测试系统对其架设固定困难。同时，由前述参数可知，集束美化天线体积和重量较大，会造成传统天线测试系统承重不足，更重要的是，当天线垂直安装测试时，由于集束美化天线重量过大，测试过程中容易出现滑落导致相位中心偏移现象，难以满足辐射参数测试需求。因此，如何改进测试方法，准确评估集束天线性能成为亟待解决的问题[8-9]。

1 “U”型测试系统构成及主要参数

图2所示为改进的天线测试系统，其采用了“U”型五轴测试转台，结构为“接收极化+双侧平移(电动)+上方位+俯仰+下方位(手动)”，主要设计参数如表1所示。

图2 “U”型五轴测试转台示意图

表1 “U”型转台主要参数与设计要求

此外，为了更好地实现满足当前实际需求的集束美化天线测试，改进的测试转台还应满足[8-9]：(1) 可测天线最大重量达300 kg；可测试天线最大尺寸3.5 m；(2) 能够实现自动测试(常规普通天线一键测试)；(3) 固定方式牢固可靠，防止固定好的天线在测试过程中或测试结束时出现偏移现象；(4) 天线安装架设方便、操作简单；(5) 满足对相位中心偏离机械中心天线测试需求；(6) 支持大口径天线，如排气管美化天线，直径可达600 mm。

2 测试系统的工作过程及主要特点

目前，移动通信基站天线辐射参数测试常用方法一般有两种：室内远场法和多探头球面近场法[10-13]。由于电磁场辐射参数测量数据的有效性最终判定是依赖于自由空间开阔测试场，因此本文利用室内远场法来实现集束美化天线测量系统。

由于常见的集束美化天线有多端口单扇区和多端口多扇区两种形式。因此，基于“U”型测试转台的天线测试系统工作流程将按照这两种形式分别叙述。

对于多端口单扇区集束美化天线，其主要工作流程如下图所示，首先调整转台方位，使被测天线最大辐射方向对准发射天线；接着极化旋转180°，完成两端口天线水平面(H面)测试，最后使得测试转台方位轴旋转360°，完成两端口天线垂直面(E面)测试。

图3 多端口单扇区集束美化天线测试流程

对于多端口多扇区的集束美化天线，其测试流程如图4所示，其主要过程与图3一致，区别在于对于多端口多扇区的集束美化天线需要进行逐扇区测试。

图4 多端口多扇区集束美化天线测试流程

需要注意的是，基于“U”型测试转台的天线测试系统采用由四端口网络分析仪构成的双通道测试模式，即被测天线同时接收一路主极化和一路交叉极化信号，并由8通道电子开关自动切换端口，测试效率是传统单端口模式的8倍[14]。同时，测试系统采用扫频多频点测试模式，被测天线在转台转动一次可以将所有所需频点的辐射数据记录保存下来，可以极大地提高测试效率。此外，如图5所示，集束美化天线架设时，应将其固定在“U”型架上，调整天线位置使天线的相位中心与转台的方位转轴中心重合(可以通过平移轴使两中心重合)。

图5 集束天线架设示意图

由上述可知，基于“U”型测试转台的天线测试系统具有如下特点：(1) 一次安装完成所有辐射面测试，而常规美化天线测试都是水平面需要安装架设一次，垂直面需要再安装架设一次；(2) 测试系统承重能力强，测试系统采用双支臂极化轴旋转完成H面方向图测试，比传统转台单支臂承重能力强；(3)采用横向滚筒式方式测量天线水平面辐射方向图，避免了被测天线垂直架设测试，在测试过程中不会出现天线滑落导致相位中心偏移；(4)具有双通道多频点扫频测量功能，转台旋转一周可以同时分别测试两个端口的主极化和交叉极化，并在多个频点上记录电平，可以成倍地提高工作效率。

3 测试系统影响因素分析及解决方案

对于集束美化天线测试而言，基于“U”型测试转台的天线测试系统相比传统测试转台系统具有较大优势，但在具体实践时，为了保证测试精度和测试的可靠性，需要考虑以下几个因素：

(1) 基于“U”型测试转台的天线测试系统采用极化轴旋转的方式测试H面方向图，在测试过程中天线主辐射方向会扫到转台下方的基座区域，而这一区域大部分为金属件，会形成信号反射，影响天线测试结果；

(2) 在E面方向图测试过程中，“U”型支臂旋转轴对天线两端测试数据有影响；

(3) 极化轴采用双支臂双电机驱动，因此在测试过程中存在两个极化轴旋转电机的精准同步问题。

针对上述问题，采取如下解决方案：

(1) 天线基座部分铺设吸波材料，并在转台升起位置根据所需频段测量剩余反射电平，测量方法采用自由空间驻波比法[15]。调整吸波材料铺设方式，使基座部分的反射信号降低到指标要求以下；

(2) 在极化旋转轴处采用低损耗材料。同时，极化旋转轴所可能影响的测试数据处在方向图的±90°位置附近，根据现阶段电信运营商对天线要求标准，这两处位置并不会影响研发工程师对天线辐射特性的判断，对天线的实际应用影响也不大；

(3) 控制电机脉冲和频率和提高控制精度，以确保极化轴双电机同步。在双电机调试过程中，两电机参数要互相匹配，控制系统要能精确控制电机脉冲和频率才能保证两电机同步旋转。为了提高控制精度，系统采用光电角度编码器，它将测得角度转换成脉冲形式的数字信号进行输出[16]，编码器精度<0.1°，由控制系统采集角度编码器的角度值，保证整体系统的测试精度。

4 实验与结果分析

针对第3部分所述问题，在实际系统中按照第3部分所提解决方案处理后，下面利用本文所提“U”型测试系统进行实验。

选取同一款天线在传统测试转台和升级改造后的“U”型测试转台分别进行测试，所测数据对比结果如图6和图7所示。

由图6和图7可以看出，“U”型测试转台和传统转台所测数据高度吻合，只在天线背向时测试数据出现小范围差异，这是因为在天线背向位置附近，接收信号电平很弱，甚至有时会低于噪声电平，因此会存在差异。但需要注意的是，在实际工程中，该差异并不影响天线辐射参数指标评定。

图6 “U”型转台和传统转台测试数据H面方向图

图7 “U”型转台和传统转台测试数据E面方向图

“U”型转台和传统转台测试数据辐射参数指标对比表如表2所示。根据表2所示数据，可以看出“U”型转台和传统转台所测天线辐射参数指标间差异很小，均在电信运营商天线辐射参数测试场地要求中属于正常变动的范围内，因此基于“U”型测试转台的天线测试系统所测数据具有良好的可靠性。

表2 “U”型转台和传统转台测试数据对比表

5 结束语

本文从集束美化天线的特点出发，结合了集束美化天线的辐射参数测试需求，针对由集束美化天线引起的传统天线测试系统相位中心偏移问题，提出了基于“U”型测试转台的集束美化天线测量系统，分析了系统实际工作中的影响因素并给出了相应的解决方案。测试结果表明，与传统天线测试系统相比，基于“U”型测试转台的集束美化天线测量系统具有测试精度高、承重大、无相位中心偏移、测试过程转台旋转平稳均匀、测试可靠性高等优点，能够满足集束美化天线的测试需求，同时具有双通道多频点扫频测量功能，可以有效地提高测试效率。