多频天线测试方法探讨：多系统同时工作与单系统测试的异同点分析

2017-04-18 20:34:24

  1. 引言
在蓬勃发展的通信需求推动下，移动通信技术发展日新月异，网络制式的演进和更替越来越快。我国从上世纪末开始，只用了十多年时间，就完成了从模拟到数字、从2G到4G的过渡。截止2016年6月三大运营商披露数据，移动用户总数达到13亿，稳居全球首位。由于起步晚、发展快，旧的网络尚未退出服务，新的网络建设已全面铺开，因此多种网络制式并存成为常态。出于节约投资、快速建网的考虑，再加上理想的站址难以寻觅，多网共站甚至多运营商共站址屡见不鲜。一个站址的天面空间有限，各种天线林立，除了相互干扰，也大大制约了网络优化的自由度，不便于网络运维，还容易引起业主和周边居民的反感。为了缓解这些矛盾，多频多端口天线应运而生，可以满足多个运营商的多种不同制式和频段的网络共用天线，减轻规建维优各环节的压力，逐渐成为在网天线中的主力。
目前多频多端口天线的测试沿用了常规天线的方法，逐个射频通道依次测试。但是考虑其实际工作状态，却是多个端口同时工作、同时收发信号。测试状态与工作状态的工况不同，是否需要考虑不同工况对测试结果的影响？换言之，现有测试方法的结果能否等同于在网工作状态下的情况？是否需要创新测试方法来获取并界定多频多端口天线的技术指标？综上，有必要研究天线在多系统同时工作下的技术指标特性。
 
  1. 基站天线主要参数及测试方法分析
基站天线的主要测试项目分为三类：辐射性能、电路性能、环境试验。其中辐射性能包括增益、半功率角、交叉极化比、前后比、波束偏移、方向图一致性等参数，电路性能包括互调、驻波比、隔离度等，环境试验包括冲水、正弦振动、湿热、盐雾等项目。其中环境试验考察天线整机的环境耐受性、工艺材质的可靠性、稳定性和耐久性，不论天线处于单系统工况还是多系统工况，对于环境试验的过程和结果并无直接影响。因此，以下仅分析不同工况对辐射性能和电路性能的影响。
 
  1. 辐射性能
实际网络中，基站天线或者同时发射和接收射频信号（FDD系统），或者分时发射和接收射频信号（TDD系统），因此存在下行发射和上行接收两个方向。而现有的辐射性能指标测试方法，仅测量一个方向的性能。对于远场系统，通常是喇叭发射、天线接收，即上行方向；对于近场系统，虽然可以是探头发射、天线接收，也可以是天线发射、探头接收，但往往仅测试一个方向。其背后的原理，是互易定理：由于天线无论作为发射还是接收，应该满足的边界条件是相同的，因此天线在接收状态的电流分布，也该与发射时相同，这就意味着任何天线用作接收时，它的方向性、阻抗、极化和有效长度等，均与用作发射天线时相同。这种同一天线用作发射天线和用作接收天线时，电参数相同的性质，称为天线的收发互易性。互易定理成立的前提条件是无源天线，而单系统天线与多频多端口天线均属于无源天线，因此，互易定理也适用于多频多端口天线，仅测量发射或接收一个方向的性能即可。
具体参数方面，方向图的各项指标仅与被测试的射频通道有关。对于基站天线，一个端口与馈电网络及其末端的多个辐射单元组成一个射频通道。辐射性能中的增益、半功率角（水平及垂直）、前后比、波束偏移、上旁瓣抑制、零点填充、下倾角精度均为单个射频通道的指标。交叉极化比、方向图一致性虽然与两个射频通道有关，但仅仅是两个通道各自测量结果的进一步计算。在射频通道内部，多个阵子相互之间有一定的幅度和相位关系，在同一个馈源作用下，在既定的工作频段内通过波束赋形形成期望的方向图。对于通道中的单个阵子，其方向图取决于阵子的材质、形状、馈电方式等，即使成为阵列的一部分，在阵间距设计合理的前提下，单个阵子的方向图也不会发生显著变化。因此，测量到的方向图实际上是单个射频通道的方向图。对于多频多端口天线，即使有多个射频通道和阵列，相互之间的耦合影响也已体现在被测试通道的方向图中，其本质是在被测通道相邻的阵子或介质上产生了微量的感应电流，与是否多通道同时工作无关。综上，辐射性能与单系统/多系统工作状态无关。
 
  1. 电路性能
    1. 互调
是指当两个或多个频率信号经过天线时，由于天线的非线性而引起的与原信号频率有和差关系的射频信号。现有的测试方法，是将两路不同频率的信号f1和f2注入同一个射频通道，锁定f1扫描f2，再锁定f2扫描f1，同时接收该射频通道反射回来的指定阶数的互调信号。该方法仅能测试单个通道自发自收时的互调产物。对于多频多端口天线，由于互耦效应，可能使得相邻通道的射频信号耦合到被测通道内，从而引入f3信号，这样与f1和f2信号产生更为复杂的互调信号，现有方法不能体现这种影响。尽管由于隔离度的保证，f3信号可能较f1和f2信号微弱，但其互调产物的电平究竟处于什么量级，尚无结论。
  1. 隔离度
是指多端口天线的一个端口上的入射功率与该入射功率在其他端口上可得到的功率之比。由定义可知，任意两个端口之间均存在隔离度。以往运营商的检测中，仅对同系统两个端口之间的隔离度有要求，对于异系统端口之间并未明确要求，也未进行测试。能否满足系统要求不得而知。
  1. 驻波比
是指驻波波腹处的电压幅值与波谷处的电压幅值之比。该参数主要与被测射频通道自身的阻抗匹配程度有关，现有测量方法已十分成熟。
 
  1. 新型测试系统搭建
 
  1. 跨端口互调：
选取六端口1低2高宽频天线，其中低频工作频段为870~960MHz，高频工作频段为1710~2690MHz。以下表所示的五阶互调为例，搭建测试系统。
互扰阶次互扰表达式MinMax干扰频段
A系数B系数C系数D系数
5-2-111915972GU900
 
注：A系统——GU900，B系数——GL1800，C系数——U2100，D系数——L2600。
即设置GU900=960，G1800=1850，U2100=2130，L2600= 2555，计算得干扰频点为915。测试系统组网如下图所示。

测试方法：
  1. 试验前，确认互调仪、线缆、合路器性能满足测试要求（合路器互调≤-120dBm，馈线互调≤-120dBm，互调仪残余互调≤-125dBm）；
  2. 准备1个天线样机，要求天线驻波比及隔离度正常，其中1个样机测试端口PIM3≤-110dBm，另外1个样机测试端口PIM3≥-80dBm（可人为制造互调源，互调源位置在反射板上各频段电磁场能量均较强的区域），以便对比分析；
  3. 选择互调正常天线样机，置于暗室内，并将互调仪预热30min以上；
  4. 设置互调仪为点频测试模式（2*20W），按要求设置频点，分别单独测试各端口PIM3，并做好记录；
  5. 按图示要求搭建组网，将所有发射互调仪设置为点频连续发功模式，按要求设置各互调仪频点（设置900M互调仪频点f1=937.5，f2=960，所得3阶互调频点为915，与设定的5阶互扰频点相同，1800M互调仪频点为1850，2100M互调仪频点为2130，2600M互调仪频点为2555，所得干扰频点为915，正好落入GU900接收带内），开启发功（2*20W），持续30s，记录受干扰频段的互调值；
  6. 互调仪停止发功；
  7. 更换天线，使用互调异常天线样机，重复上述操作。
说明：
  1. 组网合路场景不唯一，以上合路场景为高频3频合路，也可采用双频合路，如1800与2100合路、1800与2600合路、2100与2600合路；
  2. 试验前需查询互调仪双工器的带外抑制，要求双工器带外抑制至少达70dB以上，以滤除互调仪内部有源器件（发射机、接收机）自身互调、杂散的影响。如双工器不满足测试要求，建议在互调仪外串联相应频段的滤波器，以满足测试要求。
 
  1. 异系统隔离度：
测试示意图如下：

测试方法：
  1. 将被测天线几何中心放置田字格中心点；
  2. 按要求的测试频段对网络分析仪进行系统校准；
  3. 将射频功率送到双极化天线的一个端口，在另一端口的检测接收功率，所测的功率电平值即为所测天线的隔离度。天线隔离度应为工作频带内的最差值；
  4. 如两个端口的工作频段不同，则应在两个端口的工作频段内分别测量隔离度。
 
  1. 测试结果对比分析
 
  1. 跨端口互调
互扰频段分析：
考虑多运营商全面共站址场景，以联通基站受扰为例，进行全频段互绕分析。
发射频段：
发送频段TX(起始频率)f1TX(结束频率)f2
GU900870960
G180018051850
U210020102145
L260025552655
 
接收频段：
接收频段RX(起始频率)RX(结束频率)
GU900909915
G180017451755
U210019401955
L260025552575
 
计算发现，全面共站场景产生5种了2阶、3阶互扰，结果如下：
序号互扰阶次互扰表达式MinMax干扰频段
A系数B系数C系数D系数
12200017401920G1800
22-1100845980GU900
32-100115951785G1800
43-2001635915GU900
531-10115751810G1800
 
另有4-7阶互扰组合一百余种，考虑到影响弱于2阶、3阶互扰，此处不再列举。
按照测试方法，首先测量天线自身互调水平：
端口800M900M1800M2100M2600M
低频-115dBm-111dBm   
高频  -120dBm-122dBm-122dBm
 
选取如下3~5阶联通频段互扰组合，测试结果如下：
场景发射频点f1发射频点f2发射频点f3RX落入联通接收频段实测值
三阶21452555 1735G1800底噪
四阶9601830 1740G1800底噪
五阶1860213025751955U2100底噪
五阶1830213025551955U2100底噪
 
选取如下2~3阶多运营商互扰组合，测试结果如下：
场景发射频点f1发射频点f2发射频点f3RX落入联通接收频段实测值
二阶930（移动）1845（联通） 915GU900底噪
二阶870（电信）880（电信） 1750G1800底噪
三阶945（移动）1845（联通）2650（电信）1750G1800底噪
 
测试结果表明，当被测天线样机自身互调正常时，跨端口互调产物无法检出。
随后人为制造互调源，使被测天线样机互调水平恶化：
端口800M900M1800M2100M2600M
低频-40dBm-63dBm   
高频  -55dBm-60dBm-54dBm
 
选取同样的3~5阶联通频段互扰组合，测试结果如下：
场景发射频点f1发射频点f2发射频点f3RX落入联通接收频段实测值
三阶21452555 1735G1800-100dBm
四阶9601830 1740G1800-104dBm
五阶1860213025751955U2100-106dBm
五阶1830213025551955U2100-111dBm
 
选取同样的2~3阶多运营商互扰组合，测试结果如下：
场景发射频点f1发射频点f2发射频点f3RX落入联通接收频段实测值
二阶930（移动）1845（联通） 915GU900-98dBm
二阶870（电信）880（电信） 1750G1800-84dBm
三阶945（移动）1845（联通）2650（电信）1750G1800-81dBm
 
测试结果表明，当被测天线样机自身互调恶化时，跨端口互调电平有所抬升。4~5阶互调超过-107dBm控制线，2~3阶互调超过-100dBm，最差值达到-81dBm，对上行接收产生实质影响。
 
  1. 异系统隔离度
选取六端口1低2高多频天线，其中低频工作频段为880~960MHz，高频1工作频段为1710~2170MHz，高频2工作频段为2300~2690MHz。按照测试方法，结果如下：
 S2880-9601710-21702300-2690
S1 +45-45+45-45+45-45
880
-960		+45 -30.95-32.67-39.21-32.43-36.53-32.98-41.41-36.18-41.53
-45  -37.58-34.78-33.81-35.54-30.69-41.68-30.38-44.23
1710
-2170		+45     -32.04-40.39-42.45-35.63-39.14
-45      -37.40-34.58-39.19-42.21
2300
-2690		+45         -28.27
-45          
 
注：黄色为低频段测试数据，绿色为高频段测试数据；
另选取四端口双高频天线，工作频段为1710~2170MHz。按照测试方法，结果如下：
 S2左右
S1 +45-45+45-45
左+45 -35.30-36.26-33.80
-45  -33.49-37.21
右+45   -35.60
-45    
 
由上述结果可知，射频通道工作频段不同，异系统隔离度优于同系统隔离度；射频通道工作频段相同，异系统隔离度可能劣于同系统隔离度（S1左+45端口与S2右-45端口、S1左-45端口与S2右+45端口）。
 
  1. 总结及建议
本文从多频多端口天线指标测试出发，分析了工作状态与测试状态对天线辐射性能和电路性能指标的影响，创新性地提出跨端口互调的测试方法，并结合联通频段对跨端口互调和异系统隔离度进行测试。结果表明，跨端口互调水平随着天线自身互调的恶化而抬升，整体仍低于天线自身互调水平；异系统隔离度大小与系统工作频段相关，同频则有可能高于同系统隔离度。因此，在现有测试方法不变的前提下，天线自身互调水平需要严格控制，同时应考察同频端口之间的异系统隔离度，确保系统间干扰达标。
 
 
 
参考文献：
[1] YD/T 2868-2015，移动通信系统无源天线测量方法[S]. 2015.
[2] 克劳斯，马赫夫克 著，章文勋 译. 天线（第3版）[M]. 北京：电子工业出版社，2011.
[3] 苏华鸿，孙孺石，薛锋章等. 蜂窝移动通信射频工程（第2版）[M]. 北京：人民邮电出版社，2007.