智能天线的测试项目及测试方法 - 全文

1、引言

智能天线技术的研究起始于20世纪60年代，最初的研究对象是雷达天线阵，主要目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面研究的逐渐深入，数字信号处理芯片处理能力不断提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能。到了20世纪90年代，阵列处理技术引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点——智能天线。其中，我国在享有独立自主知识产权的TD-SCDMA技术中，就已经成功地引进了智能天线技术。从某种程度上可以说，智能天线是3G区别于2G系统的关键标志之一。

智能天线是利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线的主波束跟踪用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，利用多个天线单元空间的正交性和信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。它在提高系统通信质量、缓解无线通信业务日益发展与频谱资源不足的矛盾以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。

既然智能天线有如此多的好处，那么随着TD-SCDMA系统商用化的脚步越来越近，作为T D-SCDMA系统的关键技术之一的智能天线技术也越来越得到大家的重视，因此智能天线的测试方法也就显得至关重要。

2、智能天线的分类

智能天线按照类型可以分为全向智能天线阵和定向智能天线阵。

对于定向智能天线阵来说，包括以下三类测试参数。

（1）电路参数。包括垂直面电下倾角预设置值、垂直面电下倾角精度、垂直面机械下倾范围；输入阻抗、各单元端口驻波比、相邻单元端口隔离度、每端口连续波功率容量。

（2）校准参数。包括校准端口至各单元端口的耦合度、校准端口至各单元端口幅度最大偏差、校准端口至各单元端口相位最大偏差、校准端口驻波比、校准通道耦合方向性。

（3）性能参数。包括各单元端口有源输入回波损耗、垂直面半功率波束宽度、垂直面上部第一旁瓣抑制和下部第一零点填充；单元波束水平面半功率波束宽度、增益、前后比交叉极化比（轴向）和交叉极化比（±60°范围内）；业务波束水平面半功率波束宽度、视轴增益、水平面旁瓣电平和前后比、广播波束水平面半功率波束宽度、视轴增益、视轴增益Φ=±60°处电平下降、半功率波束宽度内的电平波动。

对于全向智能天线阵来说，也可以分为三类测试参数。

（1）电路参数。包括垂直面电下倾角预设置值、垂直面电下倾角精度；输入阻抗、各单元端口驻波比、相邻单元端口隔离度、每端口连续波功率容量。

（2）校准参数。包括校准端口至各单元端口的耦合度、校准端口至各单元端口幅度最大偏差、校准端口至各单元端口相位最大偏差、校准端口驻波比、校准通道耦合方向性。

（3）性能参数。包括各单元端口有源输入回波损耗、垂直面半功率波束宽度、垂直面上部第一旁瓣抑制和下部第一零点填充；单元波束水平面半功率波束宽度、增益、前后比交叉极化比（轴向）和交叉极化比（±60°范围内）；业务波束水平面半功率波束宽度、视轴增益、水平面旁瓣电平、广播波束视轴增益、方向图圆度。

3、智能天线的测试项目及测试方法

下面针对智能天线不同于普通天线的测试项目进行介绍。

首先，智能天线比普通天线增加了校准端口，主要是为了动态地校准各个单元端口的幅度和相位的一致性，校准的准确与否直接决定了智能天线的应用效果，因此，对校准端口至各单元端口幅度最大偏差和校准端口至各单元端口相位最大偏差提出了相应的要求。在测试的过程中，校准端口与每个馈电端口形成一个校准通道，对任意端口进行测量得到相位/幅度误差，在相同频点上取所有测量值之间的最大偏差即得到本指标。

校准电路参数的测量示意如图1所示。

图1

测量步骤如下：

（1）将被测天线安装在符合测量条件的自由空间或模拟自由空间；

（2）按测量系统要求进行系统校准；

（3）将测量系统与被测天线的校准端口和第i个馈电端口相连接，被测天线的其余端口一律接匹配负载，在工作频率范围内进行传输系数S（i，CAL）的测量；

（4）重复步骤（3），测试所有端口的S（i，CAL）值。

测出校准端口CAL至多个辐射端口i的传输系数S（i，CAL）后，对所有测试的S（i，CAL）值分别求模和求相角，将所有模曲线和相角曲线分别画在两张图中，比较并分别求出最大的模（即幅度）偏差和相位偏差。

其次，是各单元端口有源输入回波损耗。

有源输入回波损耗区别于普通的回波损耗的地方在于它是在各个单元端口均有输入信号，且是形成不同方向波束的情况下的回波损耗，因此将它叫作有源输入回波损耗，测量示意如图2所示。

图2

有源输入回波损耗间接测量步骤如下：

（1）将被测天线安装在符合测量条件 的自由空间或模拟自由空间；

（2）按测量系统要求进行系统校准；

（3）将测量系统与被测天线的第i个馈电端口相连接，被测天线的其余端口一律接匹配负载，在工作频率范围内进行复反射系数Sii的测量，测量的Sii读数就是第i个馈电端口的自反射系数；

（4）将测量系统与被测天线的第i个和第j个馈电端口相连接，被测天线的其余端口一律接匹配负载，在工作频率范围内进行传输系数Sij的测量，测试的Sij读数就是第j个馈电端口到i个馈电端口的传输系数；

（5）重复（3）、（4）步骤，测量所有端口的Sii和Sij的值；

（6）根据矩阵公式：［b］=［S］［a］，可以求出任意幅/相激励ai对应的反射信号bi，从而求出第i个辐射端口的复反射系数Γi=bi/ai，根据复反射系数可以求出第i个馈电端口相应的有源输入回波损耗为20lg（Γi）；

（7）求所有辐射端口有源回波损耗的最大值；

（8）重复步骤（6）给出扫描角为0°、±30°、±45°、±55°的幅/相激励ai，求相应的有源回波损耗，重复步骤（7），求所有有源回波损耗的最大值。