智能天线的测试
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TD-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 天线校准电路测量示意
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 有源回波损耗测量示意
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。
第三，智能天线比其他天线增加了单元波束、广播波束和业务波束的概念。
单元波束是指智能天线阵列中任意馈电端口在其他所有端口都接匹配负载时发射或接收到的辐射方向图。对于智能天线来说，单元波束的指标要求与普通天线的要求区别不大，因此在此不进行重点介绍。
广播波束是指对智能天线阵列施加特定的幅度和相位激励所形成的全向覆盖或扇区覆盖的辐射方向图。
对于定向智能天线，广播波束可以分为30°、65°、90°和100°，分别对应于不同扇区的覆盖要求。对于全向智能天线，广播波束应为360°覆盖，因此对其圆度提出了相应的要求。
不同的天线厂商，由于工艺和设计方式不同，广播波束的幅相加权系数也有所区别，因此要求天线厂商提供不同广播波束相应的幅相加权系数。
业务波束是指对智能天线阵列施加特定的幅度和相位激励所形成的在工作角域内具有任意波束指向扫描以及具有高增益窄波束的方向图。
定向智能天线的第一种波束是指波束为天线端口输入等幅同相信号得到的波束;另一种为各列单元的激励幅度均匀且激励相位呈线性递增(差分相位规定为，其中：为工作频段的中心频点的波长、d为相邻列的水平方向间距、=60°)时所得到的增益。
对于全向智能天线的第一种波束，按照以下公式：
其中，i=1，2，……N，N=8(对于8列阵)。
计算出相应天线端口的幅度和相位，然后进行激励即可得到第一种波束，其中为每个工作频段的中心频点。
以增益测量为例，单元波束、业务波束和广播波束的测试均可以采用图3所示的测试框图。
图3 天线增益测试示意
测试条件如下
(1)被测天线与源天线具有相同的极化方式。
(2)被测天线和源天线之间测量距离应满足
式中：L——源天线与被测天线距离(m);
D——被测天线最大尺寸(m);
d——源天线最大辐射尺寸(m);
——测试频率波长(m)。
(3)被测天线应安装于场强基本均匀的区域内，场强应预先用一个半波偶极天线在被测天线的有效天线体积内进行检测，如果电场变化超过1.5 dB，则认为试验场是不可用的;此外，增益基准天线在两个正交极化面上测得的场强差值应小于1 dB。
(4)测量用信号发生器、接收机等测量设备和仪表应具有良好的稳定性、可靠性、动态范围和测量精度，以保证测量数据的正确性。测量用仪表应有计量合格证，并在校验周期内。
测量开始前，应准备好与测量参数相对应的天线阵列幅相加权馈电网络，在对其幅相加权值确认的同时，要在非被测网络单元端接匹配负载的情况下，分别测量出总的馈电输入端口到各阵列单元输入端口传输系数的模|Si,j|(dB)，并利用公式：
(其中N为阵列单元馈电端口数)，求出与测量参数对应的天线阵列加权馈电网络的插入损耗Ln。
开始测量时，必须将被测天线和增益基准天线交替做水平和俯仰调整，以确保每一天线在水平和俯仰上的最佳指向，使其接收的功率电平为最大。
测量步骤如下
(1)增益基准天线与源天线对准，通过转接，使增益基准天线与接收机相连接，此时接收机接收功率电平为P1(dBm)。
(2)被测天线通过带有相应馈电端口所需加权值的馈电网络转接，使被测天线与接收机相连，然后通过测量调整使它与源天线对准，此时，接收机接收功率电平为P2(dBm)。
(3)重复步骤(1)和(2)，直至P1和P2测量的重复性达到可以接受的程度。
(4)被测天线某频率点的增益G按下式汁算：
G=G0+(P2-P1)+N式中：
G0——基准天线的增益(dBi);
N——计入了对应天线阵列加权馈电网络插入损耗Ln后的接收机输入端分别到被测天线和增益基准天线输出端通路衰耗的修正值(dB)。
(5) 在同一个工作频带内，测量高、中、低三个频率点，并计算分贝平均值。
(6)根据电性能要求中的不同增益定义，设置阵列馈电网络各输出端口的幅相加权值，先测出馈电网络相应的插入损耗，然后重复步骤(4)和(5)，分别进行相应增益测试。
性能判据为：
对于每个工作频段都进行高、中、低三个频点增益的测试，平均值应满足增益指标的要求，而且高、中、低三个频点增益的最差值不能小于增益指标1.0，否则，判定不合格。
方向图圆度(全向天线)、半功率波束宽度、前后比、交叉极化比和天线电下倾角的测量方法同理也可以参考增益的测试框图和测试步骤进行，在此就不详细介绍了。
4、小结
智能天线测试的复杂度比普通天线要复杂得多，只有做好了以上的测试，才能对智能天线的性能进行全面的考核，将智能天线的优势发挥出来。