胡洋 喻春 周进
(重庆信息通信研究院 重庆市 401336)
随着移动通信的不断进步,尤其大规模阵列有源天线逐渐部署,智能天线近年来获得了迅猛发展,但智能天线结构复杂,指标多,质量一致性较难保证。在天线方向图测试中,主要有单元波束、广播波束和业务波束,由于受到测试效率的限制,合成波束仅测试几个典型波束,如65 度广播波束、业务0 度波束和业务60 度波束等,即便如此,广播和业务波束测试仍占总工作量的70%以上,整个天线测试时间长达数个小时,且测试不够全面,不便综合评价天线性能。
在实际测试合成波束时,通过选用不同的功分板来调整单元波束的幅度和相位,由于功分板的应用,增加了测试器件,不可避免的给测试带来更大的不确定性。基于广播波束、业务波束是由单元波束赋形获得,本文期望通过理论计算与实际测试的比较,探讨是否可以运用理论计算来替代大量的合成波束测试工作,分析其中的测试误差,更合理的对天线性能进行评价。实现部分测试加仿真的方式替代合成波束实际测试,可以在此基础上开发仿真软件,将天线赋形权值表导入软件,就可以获得任意波束的性能参数,在此过程中因不使用功分板等工装,减少了测试的不确定性,可提高测试的可重复性,能够更精确的评价天线性能。
另外,通过软件仿真,不需要大量开发功分板,可缩短研发周期,节约开发成本,通过对单元波束的精确测试,还可为合成波束的权值优化提供参考。
随着移动通信的不断进步,用户数据需求正呈现爆发性的增长,特别是需要实时传输大量数据的无线应用,如视频直播、高清电话会议、虚拟现实游戏等,对网络容量是严峻的考验。同时对通信的可靠性和时延提出了极为苛刻的要求,如工业自动化、无人驾驶、人工智能等。大容量与低延时已逐渐成为业界对下一代无线通信网要求的共识。
面对强烈需求,背靠紧缺资源,如何满足科技爆发时代对速率的需求,为社会架起一条高速信息管道? “5G”正在给出答案。5G 即第五代无线通信系统,是在走过模拟通信、第二代、第三代和正在经历的第四代LTE 系统之后,通信人正在攀登的另一座高峰。
一个体系的革新换代,其中必包含了无数的创新点,5G也是如此,大规模天线阵列已成为一项关键技术。它的应用不单可以大幅度提升网络容量和用户体验,也将对通信行业产成深远的影响。目前网络中主要应用的是4488、4448、FA/D 等多端口天线,由天线阵列、移相器、馈电网络等组成,智能天线阵由4 列双极化天线构成,每两组±45°交叉极化天线构成1 列,每组由9 到11 个天线振子构成,整付天线约有80 个天线振子。使用时,根据需要每组振子分配指定的幅度、相位权值,4 组同极化振子赋形成最终的业务波束,调整幅度、相位权值可改变业务波束指向。智能天线结构示意图如图1 所示。
图1:智能天线结构示意图
当只存在单个天线振子时,以同极化方向从各个角度对电场振幅进行观测时,信号是各向同性衰减的,不存在方向选择性;如果增加一个同极化方向的振子,且两个振子处于同一位置时,即使两个天线发射信号可能存在一定的相差,但从任何角度观测,两列波的相差并不随观测角度的变化而发生变化,因此信号仍然不存在方向选择性。
如果增加一个同极化方向的振子,且两个振子保持一定间隔,则两列波之间会发生干涉现象,即某些方向振幅增强,某些方向振幅减弱。出现上述现象的原因可由图2 解释,假设观测点距离天线振子很远,可以认为两列波到达观测点的角度是相同的。此时两列波的相位差将随观测角度的变化而变化,在某些角度两列波同相叠加导致振幅增强,而在某些方向反相叠加导致振幅减小,总的场强呈现方向性。
图2:波的叠加示意图
在多端口智能天线中,每个业务端口由四列天线振子组成,振子间距约1/2 波长,每列振子形成前后功率比约20dB,半功率波束宽度约100°的定向波束。通过对每列振子赋予不同的幅度、相位,使四列波束相互干涉,形成我们需要的业务波束和广播波束。
为准确仿真赋形波束,需要测量单元间的间距d,不同厂家的间距有微小的差异,一般在75mm 左右,由于天线已经封装,无法准确测量单元间距,因而精确测量单元波束后,赋形仿真存在较大的不确定度,测试结果无法满足行业标准要求,因而该方法在测试中受到限制。
在远场测试系统中,智能天线单元波束测试时,为提高测试效率,并没有将每个单元的相位中心与转台旋转中心重合,实际测试示意图如图3 所示,单元阵列与旋转中心的距离为d/2 或3d/2(其中d 约为75mm),会影响单元波束宽度,副瓣位置等测试精度,因单元波束指标不属于关键性能指标,测试时不会太关注。四列单元波束在同一角度,不同的旋转半径上同时接收,因而每单元端口接收的信号已包含收发距离造成的相位差,通过功分板以不同的幅度和相位进行叠加。本方法以仿真来代替功分板的幅度、相位叠加,因而不需要考虑单元间距。
图3:天线单元波束远场测试示意图
软件使用C Sharp 语言实现,波束合成按照以下步骤执行:
(1)将两个单元方向电平拆分为实部和虚部;
实现代码如下:
(1)定义用来存储单个测试点的类或结构体,包含测试角度、幅度和相位
(3)重复第二条,可对多个信号依次叠加,并完成整个方向图的叠加运算,输出赋形后的方向图
测试系统选用锥形远场暗室及转台,暗室长度25米,宽、高各6 米,天线收发距离20 米,在频率范围800MHz ~6GHz 的静区反射电平小于-30dB,暗室屏蔽大于90dB,转台精度0.1°,测试仪表选用网络分析仪。
选用单元增益约为15dBi 的FA/D 独立定向天线,测试频点选择1880MHz、1900MHz、1920MHz、2010MHz、2018MHz、2015MHz、2535MHz、2550MHz、2600MHz、2635MHz 等31 个频点,赋形波束为业务0°波束,比较实际测试结果与仿真结果的差异,研究理论计算能否满足实际测试需求。
影响天线方向图的因素有:暗室静区、收发信机的精度及稳定性能、收发天线之间的耦合、收发天线的极化匹配、测试距离、端口电压驻波比、天线的安装、转台精度、电缆损耗等。除暗室静区外,其它因素综合不确定度按照0.5dB计算。在此统计方向图增益、波宽、前后比、副瓣,验证仿真结果是否符合标准要求。
第一步:将天线安装在抱杆上,使天线物理中心与转台旋转中心重合,且与发射天线对准,并用水平尺测量天线是否有倾斜。
第二步:使用网络分析仪同一收发端口,分别对智能天线8 个单元端口进行测试,没有参与测试的端口连接50Ω负载,分别测试垂直面主极化方向图、水平面主极化方向图、水平面交叉极化方向图,获得类似表1 的方向图文件,文件为Txt 文本格式,角度间距应小于0.5°。
表1:方向图数据格式
第三步:将业务0°功分板的1、2、3、4 端口分别连接智能天线的1、2、3、4(或5、6、7、8)端口,没有参与测试的端口连接50Ω 负载,测试天线业务0°波束方向图。
第四步:使用网络分析仪测试业务0°功分板每个通道的幅度和相位,没有参与测试的端口连接50Ω 负载,获得扩展名为“Csv”的文本文件,数据格式如表2,频率间距为1MHz,或与方向图频率一一对应。
表2:功分板数据格式
第五步:使用功分板的幅度、相位信息,对测试的单元波束进行仿真计算,获得仿真的业务0°方向图。
第六步:比较实测方向图与仿真结果。
图4 为个别频点的垂直面和水平面方向图,仿真结果与实测数据具有较好的一致性
图4:方向图比较
将测试增益和仿真增益汇总在表3 中,两幅天线,四个端口,三十一个频点,共124 个实测数据和124 个仿真数据。
表3:增益结果汇总
如图5 所示,增益平均偏差±0.1dB 以内,最大偏差-0.53dB,基本满足行业标准增益测试误差±0.5dB 的要求。
图5:增益偏差
做增益偏差的直方图及正太分布曲线,绝大多数偏差在±0.2dB 以内。
此处摘选主极化前后比测试值,将测试数据和仿真数据汇总在表4 中。
表4:垂直面半功率波束宽度结果汇总
如图6 所示,对35dB 的测试值,平均偏差0.12dB,个别偏差超过3dB,完全满足行业标准±2dB@25dB 的精度要求做前后比偏差的直方图及正太分布曲线,绝大多数在2dB以内。
图6:水平面半功率波束宽度偏差
影响天线增益、方向图测试精度的因素有:参考天线的校准值、天线阻抗、电缆接头与天线的连接力度、转台精度、测试仪表稳定性、安装位置重复性、暗室反射电平、仪表采样时延等等。仿真结果基于实测单元波束方向图,确保单元波束测试准确是实现软件仿真的基础,另外,还需要好的暗室和转台。