移动通信中的天线标准及测试

摘要　文章简单介绍了移动通信系统中天线的标准和测试方法，测试项目包括天线方向图，天线增益，驻波比等指标，并对天线方向图进行了详细的说明。

　　天线是将电磁波与高频电流进行相互转换的工具，在移动通信系统中有着非常重要的位置，天线性能的好坏直接影响到网络覆盖，所以，一幅天线完成设计和生产后，在使用前我们还应对天线的质量进行全面的检测，以保证在使用过程中网络覆盖的全面和稳定。天线的种类繁多，按照使用场景来分，可分为室内天线和基站天线；按照天线方向图可分为全向天线和定向天线等。

1、天线的分类

　　针对我国无线通信网络覆盖的需求，为了对设计、生产、选型及测试进行指导，行业制定了基站天线的标准：YD 1059-2004《移动通信系统基站天线技术条件》。

　　此标准为基站天线测试的依据。里面规定了基站天线的术语，测试方法及性能指标。标准于2000年正式发布实施，于2004年进行第一次修订。修订了天线的工作频段，增加了天线的品种，引入了新的性能指标，对天线的测量进行了详细的规定和说明。

　　标准覆盖了我国现有大部分移动通信频段及规划中的3G频段。对其它工作频段的天线也具有很好的指导性。标准定义的天线种类有3种，分别为全向天线、定向天线和定向双极化天线。

　　1.1　全向天线

　　基站全向天线由于需要的增益较大，在外形上体现出体积较大，基本上长度都有3m左右，呈杆状，馈点通常置于天线的底部。

　　在水平面各方向的增益显示出一致性。基本为一个圆形，其圆度指标都能够控制在±1dB以内。在垂直面上显示出功率较为集中，半功率波束宽度很小。大约在10°左右，宽度随增益的增大而变小。

　　1.2　定向天线

　　定向天线通常内部由多个辐射单元和一块反射板组成，辐射单元个数随增益增大而增加。辐射单元呈垂直极化方向。这样的结构使得高增益天线在外形尺寸上也比较大。天线的馈点通常为底部，也有在中间部位馈入的情况。

　　从水平面方向图看功率大部分集中在天线法线的方向上，有很好的指向性，垂直面上的方向图显示的功率分布非常集中。基本上是在8°～30°的范围内。角度随增益的增大而变小。

　　1.3　定向双极化天线

　　定向双极化天线是由两组定向辐射单元构成，相对大地平面一组为+45°极化，一组为-45°极化。相互之间呈90°正交以减少相互之间的干扰。从而构成了两幅定向天线合二为一的产品，在体积没有明显增加的情况下扩充了网络的容量。这种天线的馈点通常置于底部。

　　天线图的特点与定向天线一致。

　　由于这种天线有两个馈入口，所以两个端口都需要分别的进行测试。每个端口的测试与常规的定向天线相同，方向图指标大部分也与定向天线类似。增加了两端口之间的电性能参数，包括端口之间隔离度，天线方向图上的交叉极化比等指标。

2、天线测试

　　2.1　天线方向图测试

　　天线测试中最主要的项目是天线方向图的测量，方向图能够表征天线在立体空间中各个方向上的辐射能力，通过对方向图的处理，还可以得到天线的半功率波瓣宽度，全向天线的圆度，前后比以及副瓣电平等天线性能指标。

　　天线的方向图测试对场地有着严格的要求。

　　（1）要有足够大的场地，保证接收天线和发射天线处在远场区工作，远场距离的计算公式如图1所示；

图1　方向图测试场景

（2）场地干扰要消除，源天线与被测天线之间的电磁路径只能进行直线传输，任何其它反射到被测天线方向的电磁波对实验结果都会产生非常大的影响，从而导致测试的错误。这就要求在实验场地内不仅消除在测试频点上的其它信号干扰，还要避免源天线发射的信号通过反射产生的干扰信号，这些反射包括地面反射和实验场地内任何物体所产生的不期望的反射；

　　（3）场地均匀性，在源天线进行发射的情况下，在被测天线有效体积的空间内进行场强测量，要求电场强度的变化不能超过1.5dB。

　　针对这些要求，我们推荐在电波暗室中进行实验，电波暗室除了在场地大小方面有限制外，在消除干扰和场地均匀性方面相对外场测试都有很好的优势。

　　方向图的测试要求源天线在满足远场距离的位置上进行电磁波的发射，架设被测天线的转台进行360°的旋转，在360°范围内的各个方向上接收电平值，根据角度与电平值得到极坐标上的天线接收电磁波强度的方向图，即天线的方向图。测试场景如图1所示。

　　我们得到方向图后，需要对其进行处理已得到各相关指标的结果。

　　图2详细的说明了天线指标的定义。

图2　天线指标定义

　　被测天线正向最大接收电平与已知增益的标准天线的最大接收电平相比，得到天线增益的值。

　　在最大方向功率下降到一半处的两点之间的波束宽度定义为半功率波束宽度。

　　把最大功率方向定义为O°，与反方向附近（180°±30°）内的最大功率之比为前后比。

3、标准测试内容

　　3.1　方向图数据的处理

　　方向图能够表征天线的电性能，以下许多指标都能够从方向图上整理得出。

　　（1）半功率波束宽度；

　　（2）方向图圆度（全向天线）；

　　（3）前后比（定向天线）；

　　（4）电下倾角精度；

　　（5）交叉计划比（定向双极化天线）。

　　3.2　除方向图以外的其它测试

　　天线测试除了方向图的测试，还包括电压驻波比、交调、隔离度（定向双极化天线）和功率容限等测试。

　　电压驻波比与隔离度通过网络分析仪进行测量，测量在电波暗室中进行。

　　交调测试使用交调测试仪进行，试验也应在电波暗室中进行。

　　3.2.1　驻波比

　　将天线端口连接到网络分析仪的端口1上进行S11参数的测试，即可得到驻波比，对于双极化天线还需在另一端口进行相同的测量，测量过程中其它端口皆匹配负载，如图3所示。

图3　驻波比测试
3.2.2　隔离度

　　图4中示意出双极化基站天线，它包含+45°线极化和-45°线极化2个天线，虽然设计2个天线为极化相互正交，但是彼此之间仍然存在相互耦合。将双极化天线的两个端口分别连接到网络分析仪的端口1和端口2上进行S21的参数测试。即得到隔离度的结果。

图4　隔离度测试

　　3.2.3　交调

　　无源三阶互调PIM3不但强度在所有的无源互调产物中最大，而且其互调频率2f1-f2和2f2-f1与原f1和f2频率很靠近。频率f1和f2输入到天线，由于非线性效应，天线辐射的信号除频率f1和f2外，至少还包括频率2f1-f2和2f2-f1，由于处于下行频段的f1和f2相差△，三阶互调频率2f2-f1与f2也相差△，因此2f2-f1可能落入上行接收频段。当2f2-f1频率信号的幅度高于接收机的本底噪声电平（比如说-107dBm）时，将对上行接收产生干扰，因此需要予以抑制。测试使用互调测试仪进行。如图5所示。

图5　交调测试

4、结束语

　　本文对天线的分类及测试做了简要的介绍，所有测试都应在电波暗室中进行以减少外部骚扰对实验结果的影响，保证测试的准确性。随着无线通信技术的发展，天线技术的发展也必将日新月异，大量新的技术和产品还需要大家更进一步的关注，使得天线的测试技术更上一层楼。

知识普及工作做得好

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