天线测量场地问题分析和选择标准建议

滤波器2020-06-29 12:04:22

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天线测量场地问题分析和选择标准建议

滤波器 字 〔 2017 〕 298



1. 引言


目前全球范围内存在多种类型的移动通信天线测量场地。在天线测量过程中发现天线测量存在诸多问题。
首先,国内天线测试场地和设备条件满足要求的程度较低。在测试过程中发现天线互调测试设备稳定度低,多次测试结果的离散度很大;微波暗室性能(长度
、屏蔽性能和静区尺寸等)不满足理论条件要求;部分测量场地的电磁环境受外部气候等因素的影响较大。
其次,不同类型场地之间测试结果差别程度较大。移动通信天线产品类型趋于复杂化,传统单一类型的场地无法满足测试要求。国内存在至少6种类型的场地,每类之间的测试结果偏差很大。不同场地的不同测试结果导致产品应用方案难以统一。
再次,相同类型场地之间的测试方法和步骤不统一。部分场地多次测试的稳定度较差;各天线检测机构测试操作方法不统一,实际操作中的多种因素影响测试结果。
因此,需要通过解决测试发现存在的问题,制定统一的天线测量场地的测试稳定度和精准度要求。



2. 天线测量场地性能评估


2.1 天线测量场地性能验证实施方案


选择三根定制的高稳定型天线作为标准天线进行天线测量场地性能验证。在每个场地连续测试3天测试标准天线,每天早中晚时间测试3次,共9次。


Figure 1. Indoor far-field testing system

1.室内远场测试系统


Figure 2. Compact range test system
2.紧缩场测试系统


Figure 3. Spherical Near-field Measurement System
3.球面近场测试系统


采用工作频段覆盖GSM和WCDMA频段的标准天线,在同一个场地中所测试的9次数据依次为Xi(i=1,2,…,9),9次测试时间。定义同一个场地9次的数据的差值△X作为衡量场地与设备测试稳定度的指标;定义X权威-X平均作为衡量场地与设备测试精准度的指标。
应用标准天线在全球范围内的天线测量场地进行数据采集和性能评估。天线测量场地列表如表1。


Table 1. Antenna Measurement Site List
1.天线测量场地列表

序号检测机构/天线厂商场地类型数量
1华为SG128探头球面近场1
2摩比SG128探头球面近场1
3室外远场1
4京信SG128探头球面近场1
5室内远场1
6通宇SG64探头球面近场1
7室内远场1
8盛路SG64探头球面近场1
9室内远场1
10健博通室内远场1
11国信柱面近场1
12安德鲁(苏州)SG128探头球面近场1
13亚信室外远场1
14三元达海天SG128探头球面近场1
15华天室内远场1
16南京14所紧缩场1
17亨鑫室内远场1
18广电七所室内锥形远场1
19泰尔实验室紧缩场1
20中电54所室外远场1
21武汉虹信室内远场1
22安德鲁(美国)单探头室内近场1
23凯仕林(德国)单探头室内近场1


2.2 天线测量场地测试偏差评估


将三副标准天线命名为高频天线1(工作频段1710MHz-2170MHz)、高频天线2(工作频段1710MHz-2170MHz)和低频天线(工作频段880MHz-960MHz)。将所有场地测试的X平均值进行统计分析,计算出各场地测试数据偏差程度如表2所示。


Table 2. Each field data pattern test deviation

2.各场地方向图测试数据偏差

性能指标高频天线1高频天线2低频天线
增益(dBi)2.082.262.002.222.362.00
水平半功率波束宽度(°)5.095.195.355.784.474.18
轴向交叉极化鉴别率(dB)7.8619.018.9416.5215.6115.39
±60°交叉极化鉴别率(dB)4.926.484.324.4113.6014.68
前后比(dB)7.637.786.867.623.877.27
水平面波束偏移(°)11.4311.058.513.3715.4714.66
第一旁瓣抑制(dB)9.4215.916.2618.729.519.51
零点填充(dB)25.7615.4121.3819.4832.1123.4
垂直半功率波束宽度(°)0.610.600.620.540.530.43
下倾角精度(°)2.232.622.512.822.162.15
方向图一致性(dB)1.841.841.921.922.342.34
30°内旁瓣抑制(dB)9.278.129.545.8114.4112.52

由表2可以看出,标准天线在不同场地内测试的结果偏差很大。增益偏差超过2dB,交叉极化比偏差超过19dB,波束偏移偏差超过14°,上旁瓣抑制偏差超过18dB,下倾角精度偏差超过2.8°。


2.3 天线测量场地测试偏差评估原因分析说明


2.3.1 电路参数实际测试偏差原因分析说明
电压驻波比和隔离度受暗室屏蔽性能等其他因素影响较小,在暗室内的不同位置各位置测试结果稳定性较好。线缆接头连接是否牢固会对隔离度产生影响。测试期间,是否使用力矩扳手连接线缆接头,对隔离度测试结果产生较大影响。
无源互调的测试结果受测试设备和环境影响较大。首先互调仪本身的散热会影响测试精准度和稳定度,其次仪表的残余互调和不同系列的仪表测量精度都会影响到测试结果,比如不同厂家Summitake B系列和E系列对比测试得出了有一定偏差的测试结果。另外,测试过程中的操作带来的影响不可忽视。线缆过度弯曲、测试转接头的影响、测试端口的力矩影响、测试线缆型号的影响以及测试线缆损耗大,导致天线口输入功率小于43dBm等因素均会影响测试结果。微波暗室的同样会带来影响,比如天线距离吸波材料过近导致测试结果波动,微波暗室不封闭导致测试结果不稳定等。


2.3.2 辐射参数实际测试偏差原因分析说明


1、影响增益测试结果的因素说明

首先不同的标准增益天线带来的影响。比如测量场地采用Satimo自带的标准增益天线,其余测量场采用双脊喇叭,通过标校增益发现各测量场地采用的双脊喇叭之间同样存在差异。其次是外部环境的影响,如对于室外外场受外部基站和天气因素等干扰源的影响较严重。另外,测试中的天线架设方法不统一带来影响。在采集数据过程中,某测量场地采用天线平躺架设方式测量的测试结果波动程度远大于天线垂直架设的方式。


Figure 4. Standard gain antenna
4.标准增益天线

Figure 5. The sectional view of Spherical near-field antenna chamber structure
图5.球面近场天线测量场地结构剖视图


2、影响方向图参数测试结果的因素说明

测试距离不足等场地性能不满足因素造成的偏差。在有限距离的场地上进行方向图测量,待测天线口面上回产生球面相差,相差的变化主要影响零点填充和抬高第一副瓣。对于不同的误差精度要求,有相应的测试距离要求,如-40dB副瓣电平误差小于1dB,测试距离应大于6D2/λ(D为被测天线的最大尺寸,λ为对应频率的波长)。
测试环境引入测量偏差。场地屏蔽性能不满足测试精度要求时,在测试方向图尤其是低副瓣时,周围物体反射会导致严重的测试误差。对于不同的误差精度要求,有相应的测试环境要求;如-40dB副瓣电平误差小于±0.5dB时,环境反射电平应低于-65dB。
测试操作方面的因素引入测量偏差。收发天线架设高度不同,采用俯仰在方位上的转台,就会产生测角误差,所测方向图不是主平面切割方向图,而是圆锥切割方向图。另外数据统计方法不统一,转台精度、仪器精度、安装精度等设备问题,测试用电缆和器件的稳定性等因素会造成最终统计结果出现偏差。



3. 天线测量稳定度要求建议


3.1 电路参数测试暗室与仪表稳定度要求


微波暗室净尺寸应以完全满足被测天线所使用静区为原则,建议暗室尺寸较大为好。暗室有效空间(长宽高)不小于3m*2m*2m。
互调测量暗室场地屏蔽优于-100dB,隔离度驻波比测量场地屏蔽优于-60dB。
场地驻波比稳定性满足要求。将驻波比小于1.35的被测天线,前后左右各半个波长范围按田字方式移动,以中心位置为基准值,其余8个位置的测试最差值与基准值的偏差小于±0.02。
场地交调稳定性满足要求。测试系统连接低互调负载,测试结果<-120dBm;测试系统连接标准定值-110dBm负载,测试结果在规格+3dB范围内;将三阶互调约为-110dBm的被测天线,前后左右各半个波长范围按田字方式移动,以中心位置为基准值,其余8个位置的测试值相对于基准值恶化小于3dB
矢量网络分析仪负载状态的电压驻波比小于1.05,直通状态隔离度小于0.05dB;有计量合格证,并在校验周期内。
无源互调分析仪测试电缆损耗小于1dB;连接标准低互调负载,在所需的变形范围内移动电缆,残余互调优于-125dBm(测试功率43dBm)或优于被测天线最优标称指标10dB;有计量合格证,并在校验周期内;保证测试期间无源互调分析仪散热性能,可采用空调制冷保证测试环境温度20±5℃(待定),或者在互调分析仪机身增加散热辅助设备亦或其他可行方法。


3.2 天线方向图测试系统稳定度要求


对每个场地,用标准天线进行重复测量(3天,每天3次,共9次),评估场地的稳定性(9次测量间的波动情况)。天线方向图测试系统稳定度建议满足如下要求。


Table3. Stability Requirements of Antenna pattern measurement system
3.天线方向图测试系统稳定度要求

性能指标室内远场室内近场
698-960MHz1710-2690MHz698-960MHz1710-2690MHz
辐射性能稳定度要求(连续三天,每天三次)增益(dBi)±0.15±0.15±0.25±0.25
水平半功率波束宽度(°)±2±1.5±2±1.5
轴向交叉极化鉴别率(dB)±0.7±0.7±1.375±1.375
±60°交叉极化鉴别率(dB)±0.7±0.7±1.375±1.375
前后比(dB)±1.5±1.5±2.8±2.8
水平面波束偏移(°)±2±1.5±2±1.5
第一旁瓣抑制(dB)±0.46±0.46±0.875±0.875
零点填充(dB)±1.5±1.5±2.8±2.8
垂直半功率波束宽度(°)±0.3±0.3±0.3±0.3
下倾角精度(°)±0.3±0.3±0.3±0.3
方向图一致性(dB)±0.25±0.25±0.3dB±0.3dB
30°内旁瓣抑制(dB)±0.46±0.46±0.875±0.875



4. 天线测量精准度要求建议


天线测量精准度定义为δ= X权威-X平均。评估一个场地的测量误差即分析该场地测量值和真值间的偏差,也就是计算δ值。首先根据场地的波动得分定义权值。波动得分越高,权值越大。根据不同场地的权值计算每个参数的真值。真值计算公式定义为
真值(比如增益)=(场1平均值* W1+场2平均* W2+...+场n平均*Wn)/N     (1)
其中,Wi是第i个场地的权值,由该场地的波动情况计算得出。
计算确定各场地各指标参数和真值间的偏差。

Figure 6. The δ value of antenna gain on different frequencies
图6.不同频点上的增益δ

Figure 7. The δ value of XPD on different frequencies
图7.不同频点上的交叉极化鉴别率δ

Figure 8. The δ value of front to back ratio on different frequencies
图8.不同频点上的前后比δ

Figure 9. The δ value of up-side lobe suppression on different frequencies
图9.不同频点上的30度内上旁瓣抑制δ
由以上结果可以看出,相同指标的δ在不同极化状态和不同频点上呈现出很强的随机性。

Figure 10. Each index δ value on 1710MHz
10.1710MHz频点上各指标的δ

Figure 11. Each index δ value on 1855MHz
11.1855MHz频点上各指标的δ


Figure 12. Each index δ value on 1980MHz
12.1980MHz频点上各指标的δ

Figure 13. Each index δ value on 2140MHz
13.2140MHz频点上各指标的δ


由以上结果可以看出,相同频点的δ在不同指标和不同极化状态上呈现出很强的随机性。
由于场地反射电平在频率响应上的随机性,场地交叉极化特性的不稳定性和随机性,抱杆、转台、仪表、线缆带来的随机误差和测试安装位置精度的不足够等多重因素的共同影响,每个场地与“真值”之间的δ随机性较大。因此,对每个场地进行δ补偿获得“真值”的方案不具备可行性。



5. 天线测量场地选择方案和认证标准建议


根据3天不同时间段采集的9次测试数据,选择出满足天线方向图测试系统稳定度要求的场地,根据稳定度性能确定稳定性符合要求的n个场地中的前m个。计算m个场地之间的最大偏差δ,将δ作为该性能指标的允差值。将选定的不同场地之间的δ在技术指标允差中体现。
采用A、B、C三副标准天线分别对每个场地采集了9遍数据。初始测试数据包括12个频点,+/-45度极化端口的数据,每一项指标对应有24个数据。A天线和B天线对应1710-2170MHz频段,C天线对应880-960MHz频段。将每一个场地9次测量的平均值作为本场地的真实值。以某一个场地作为基准,计算其余两个场地与基准场地的“真实值”测量偏差。因为每一项指标对应有24个数据,所以每一项指标的偏差不是唯一值,是一个区间。详细偏差结果见下表。


Table4. The selected three antenna chambers antenna pattern measurement deviation range
4. 选定的3个天线方向图测试系统偏差度

按照偏差区间的最大值进行偏差消除,即在基准测量场地(场地1)的结果不做调整,在场地2和场地3测量的结果分别按照各自最大的偏差值向优化的方向进行调整。 各指标偏差调整量具体见下表。
 
Table5. The selected three antenna chambers antenna pattern adjustment range
表5选定的3个天线方向图指标测试偏差调整量



总结


本文总结了目前天线测量存在的问题,评估了天线测量场地的测试偏差情况和分析了测试偏差原因,提出了可实施的天线测量场地稳定度标准要求。通过分析每个场地与“真值”之间的δ随机性,发现对每个场地进行δ补偿获得“真值”的方案不具备可行性,给出了建议的天线测量场地选择方案和认证标准。

参考文献

  1. 林昌禄等. 天线工程手册[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.1196-1249

  2. 王玖珍, 薛正辉. 天线测量实用手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013.265-270

  3. R. G. Vaughan. Polarization diversity in mobile communications[J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions on, vol. 39, no. 3, pp. 177–186, 1990.

作者简介
李娟  女,硕士,中国铁塔股份有限公司通信技术研究院,主要研究方向为射频与室内分布系统技术等。
李新中  男,硕士,中国铁塔股份有限公司通信技术研究院,主要研究方向为天线射频与室内分布系统技术,网络技术演进和相关标准研究及跟踪等。
邹勇  男,硕士,中国铁塔股份有限公司通信技术研究院,长期从事移动通信理论研究、标准制定、网络规划和工程设计工作,具有较坚实的理论基础和丰富的工程设计实践经验。

来源:天线技术联盟

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