波束賦形在智能天線測試中的應用

胡洋 喻春 周進

（重慶信息通信研究院 重慶市 401336）

隨著移動通信的不斷進步，尤其大規模陣列有源天線逐漸部署，智能天線近年來獲得了迅猛發展，但智能天線結構復雜，指標多，質量一致性較難保證。在天線方向圖測試中，主要有單元波束、廣播波束和業務波束，由于受到測試效率的限制，合成波束僅測試幾個典型波束，如65 度廣播波束、業務0 度波束和業務60 度波束等，即便如此，廣播和業務波束測試仍占總工作量的70%以上，整個天線測試時間長達數個小時，且測試不夠全面，不便綜合評價天線性能。

在實際測試合成波束時，通過選用不同的功分板來調整單元波束的幅度和相位，由于功分板的應用，增加了測試器件，不可避免的給測試帶來更大的不確定性?；趶V播波束、業務波束是由單元波束賦形獲得，本文期望通過理論計算與實際測試的比較，探討是否可以運用理論計算來替代大量的合成波束測試工作，分析其中的測試誤差，更合理的對天線性能進行評價。實現部分測試加仿真的方式替代合成波束實際測試，可以在此基礎上開發仿真軟件，將天線賦形權值表導入軟件，就可以獲得任意波束的性能參數，在此過程中因不使用功分板等工裝，減少了測試的不確定性，可提高測試的可重復性，能夠更精確的評價天線性能。

另外，通過軟件仿真，不需要大量開發功分板，可縮短研發周期，節約開發成本，通過對單元波束的精確測試，還可為合成波束的權值優化提供參考。

1 智能天線介紹

隨著移動通信的不斷進步，用戶數據需求正呈現爆發性的增長，特別是需要實時傳輸大量數據的無線應用，如視頻直播、高清電話會議、虛擬現實游戲等，對網絡容量是嚴峻的考驗。同時對通信的可靠性和時延提出了極為苛刻的要求，如工業自動化、無人駕駛、人工智能等。大容量與低延時已逐漸成為業界對下一代無線通信網要求的共識。

面對強烈需求，背靠緊缺資源，如何滿足科技爆發時代對速率的需求，為社會架起一條高速信息管道? “5G”正在給出答案。5G 即第五代無線通信系統，是在走過模擬通信、第二代、第三代和正在經歷的第四代LTE 系統之后，通信人正在攀登的另一座高峰。

一個體系的革新換代，其中必包含了無數的創新點，5G也是如此，大規模天線陣列已成為一項關鍵技術。它的應用不單可以大幅度提升網絡容量和用戶體驗，也將對通信行業產成深遠的影響。目前網絡中主要應用的是4488、4448、FA/D 等多端口天線，由天線陣列、移相器、饋電網絡等組成，智能天線陣由4 列雙極化天線構成，每兩組±45°交叉極化天線構成1 列，每組由9 到11 個天線振子構成，整付天線約有80 個天線振子。使用時，根據需要每組振子分配指定的幅度、相位權值，4 組同極化振子賦形成最終的業務波束，調整幅度、相位權值可改變業務波束指向。智能天線結構示意圖如圖1 所示。

圖1：智能天線結構示意圖

2 波束賦形的原理

當只存在單個天線振子時，以同極化方向從各個角度對電場振幅進行觀測時，信號是各向同性衰減的，不存在方向選擇性；如果增加一個同極化方向的振子，且兩個振子處于同一位置時，即使兩個天線發射信號可能存在一定的相差，但從任何角度觀測，兩列波的相差并不隨觀測角度的變化而發生變化，因此信號仍然不存在方向選擇性。

如果增加一個同極化方向的振子，且兩個振子保持一定間隔，則兩列波之間會發生干涉現象，即某些方向振幅增強，某些方向振幅減弱。出現上述現象的原因可由圖2 解釋，假設觀測點距離天線振子很遠，可以認為兩列波到達觀測點的角度是相同的。此時兩列波的相位差將隨觀測角度的變化而變化，在某些角度兩列波同相疊加導致振幅增強，而在某些方向反相疊加導致振幅減小，總的場強呈現方向性。

圖2：波的疊加示意圖

在多端口智能天線中，每個業務端口由四列天線振子組成，振子間距約1/2 波長，每列振子形成前后功率比約20dB，半功率波束寬度約100°的定向波束。通過對每列振子賦予不同的幅度、相位，使四列波束相互干涉，形成我們需要的業務波束和廣播波束。

為準確仿真賦形波束，需要測量單元間的間距d，不同廠家的間距有微小的差異，一般在75mm 左右，由于天線已經封裝，無法準確測量單元間距，因而精確測量單元波束后，賦形仿真存在較大的不確定度，測試結果無法滿足行業標準要求，因而該方法在測試中受到限制。

在遠場測試系統中，智能天線單元波束測試時，為提高測試效率，并沒有將每個單元的相位中心與轉臺旋轉中心重合，實際測試示意圖如圖3 所示，單元陣列與旋轉中心的距離為d/2 或3d/2（其中d 約為75mm），會影響單元波束寬度，副瓣位置等測試精度，因單元波束指標不屬于關鍵性能指標，測試時不會太關注。四列單元波束在同一角度，不同的旋轉半徑上同時接收，因而每單元端口接收的信號已包含收發距離造成的相位差，通過功分板以不同的幅度和相位進行疊加。本方法以仿真來代替功分板的幅度、相位疊加，因而不需要考慮單元間距。

圖3：天線單元波束遠場測試示意圖

3 軟件實現

軟件使用C Sharp 語言實現，波束合成按照以下步驟執行：

（1）將兩個單元方向電平拆分為實部和虛部；

實現代碼如下：

（1）定義用來存儲單個測試點的類或結構體，包含測試角度、幅度和相位

（3）重復第二條，可對多個信號依次疊加，并完成整個方向圖的疊加運算，輸出賦形后的方向圖

4 測試應用

4.1 試驗環境

測試系統選用錐形遠場暗室及轉臺，暗室長度25米，寬、高各6 米，天線收發距離20 米，在頻率范圍800MHz ～6GHz 的靜區反射電平小于-30dB，暗室屏蔽大于90dB，轉臺精度0.1°，測試儀表選用網絡分析儀。

選用單元增益約為15dBi 的FA/D 獨立定向天線，測試頻點選擇1880MHz、1900MHz、1920MHz、2010MHz、2018MHz、2015MHz、2535MHz、2550MHz、2600MHz、2635MHz 等31 個頻點，賦形波束為業務0°波束，比較實際測試結果與仿真結果的差異，研究理論計算能否滿足實際測試需求。

4.2 試驗參數

影響天線方向圖的因素有：暗室靜區、收發信機的精度及穩定性能、收發天線之間的耦合、收發天線的極化匹配、測試距離、端口電壓駐波比、天線的安裝、轉臺精度、電纜損耗等。除暗室靜區外，其它因素綜合不確定度按照0.5dB計算。在此統計方向圖增益、波寬、前后比、副瓣，驗證仿真結果是否符合標準要求。

4.3 試驗方法

第一步：將天線安裝在抱桿上，使天線物理中心與轉臺旋轉中心重合，且與發射天線對準，并用水平尺測量天線是否有傾斜。

第二步：使用網絡分析儀同一收發端口，分別對智能天線8 個單元端口進行測試，沒有參與測試的端口連接50Ω負載，分別測試垂直面主極化方向圖、水平面主極化方向圖、水平面交叉極化方向圖，獲得類似表1 的方向圖文件，文件為Txt 文本格式，角度間距應小于0.5°。

表1：方向圖數據格式

第三步：將業務0°功分板的1、2、3、4 端口分別連接智能天線的1、2、3、4（或5、6、7、8）端口，沒有參與測試的端口連接50Ω 負載，測試天線業務0°波束方向圖。

第四步：使用網絡分析儀測試業務0°功分板每個通道的幅度和相位，沒有參與測試的端口連接50Ω 負載，獲得擴展名為“Csv”的文本文件，數據格式如表2，頻率間距為1MHz，或與方向圖頻率一一對應。

表2：功分板數據格式

第五步：使用功分板的幅度、相位信息，對測試的單元波束進行仿真計算，獲得仿真的業務0°方向圖。

第六步：比較實測方向圖與仿真結果。

5 結果驗證

5.1 方向圖圖形

圖4 為個別頻點的垂直面和水平面方向圖，仿真結果與實測數據具有較好的一致性

圖4：方向圖比較

5.2 天線增益

將測試增益和仿真增益匯總在表3 中，兩幅天線，四個端口，三十一個頻點，共124 個實測數據和124 個仿真數據。

表3：增益結果匯總

如圖5 所示，增益平均偏差±0.1dB 以內，最大偏差-0.53dB，基本滿足行業標準增益測試誤差±0.5dB 的要求。

圖5：增益偏差

做增益偏差的直方圖及正太分布曲線，絕大多數偏差在±0.2dB 以內。

5.3 前后比

此處摘選主極化前后比測試值，將測試數據和仿真數據匯總在表4 中。

表4：垂直面半功率波束寬度結果匯總

如圖6 所示，對35dB 的測試值，平均偏差0.12dB，個別偏差超過3dB，完全滿足行業標準±2dB@25dB 的精度要求做前后比偏差的直方圖及正太分布曲線，絕大多數在2dB以內。

圖6：水平面半功率波束寬度偏差

6 影響仿真結果的因素

影響天線增益、方向圖測試精度的因素有：參考天線的校準值、天線阻抗、電纜接頭與天線的連接力度、轉臺精度、測試儀表穩定性、安裝位置重復性、暗室反射電平、儀表采樣時延等等。仿真結果基于實測單元波束方向圖，確保單元波束測試準確是實現軟件仿真的基礎，另外，還需要好的暗室和轉臺。