趙 權(quán)，蔡立欣

（中國信息通信研究院（中國泰爾實驗室），北京 100045）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡業(yè)務的飛速發(fā)展和用戶數(shù)量的不斷增多，現(xiàn)有頻率資源已經(jīng)無法滿足熱點區(qū)域業(yè)務的發(fā)展需求。覆蓋和容量問題逐步成為網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸。劈裂天線能夠滿足人們對大容量天線的需求，不僅提高了移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，而且工程建設中只需更換天線、新增饋線以及疊加機柜即可。在無線電頻譜資源日益擁擠的今天，劈裂天線的使用具有十分重要的現(xiàn)實意義。但是，劈裂天線的輻射方式區(qū)別于傳統(tǒng)天線，如何測試其參數(shù)成為關鍵問題[1]。

1 劈裂天線與傳統(tǒng)天線的比較

劈裂天線是將兩根雙極化天線集成在一個天線罩中，使其原先的一個扇區(qū)分裂成兩個水平波寬為33°的扇區(qū)，從而實現(xiàn)一面天線可以向法線兩側(cè)發(fā)射兩束波束。在天線架設時，可以做到三面天線支持6個扇區(qū)，且相比傳統(tǒng)天線，大幅提高了旁瓣抑制性能，降低了扇區(qū)間的干擾，有效提高了基站容量。以某4端口劈裂天線為測試樣本，其中端口1和端口2輻射方向為法線左側(cè)30°，端口3和端口4輻射方向為法線右側(cè)30°，通過在128球面近場測試，繪制了端口1和端口3的水平面方向圖，如圖1和圖2所示。

2 劈裂天線測試方案

2.1 多探頭球面近場測試方案

近場測試通過近場測量系統(tǒng)的中心計算機控制，掃描并采集天線近場區(qū)域的幅度和相位等信息，再通過傅立葉變換得到遠場區(qū)域的幅度、相位信息以及方向圖的分布情況。

圖3為實驗室SG128球面近場暗室，采用法國MVG公司的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)頻率范圍為400 MHz～6 GHz。暗室主要由10 m×10 m×12 m內(nèi)附高吸波材料的金屬屏蔽墻體為主體框架，以均勻分布在直徑為6.4 m的圓環(huán)架上的128個雙極化探頭和轉(zhuǎn)臺組成。系統(tǒng)的運動控制器通過步進電機和驅(qū)動轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。將圓環(huán)中心作為天線坐標系統(tǒng)原點，垂直方向360°范圍內(nèi)電子掃描和水平180°范圍內(nèi)機械掃描相結(jié)合，組成了球面近場采樣基本方式。在測試過程中，8個通道能夠?qū)崟r切換狀態(tài)，可以一次測量得到8個通道的相位值，極大地提高了測試效率。

將某4端口劈裂天線架設在抱桿上并用扎帶綁緊，將連接射頻發(fā)射源的4根測試射頻線連接至被測天線的4個端口。測試過程中，射頻接收機會依次接收128個雙極化探頭的數(shù)據(jù)信息。天線隨轉(zhuǎn)臺作2.571°步進的水平旋轉(zhuǎn)，每當轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一個角度，圓環(huán)上的雙極化探頭依次采集127（128個探頭，其中1個為校準口）個近場區(qū)域的幅值和相位信息。劈裂天線隨轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180°，完成一個通道的測試。天線隨轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)到初始位置，電子切換開關切換到下一個通道繼續(xù)進行下一個通道測試，直到最后一個通道測試完成。每個通道下的任一測試頻點都可以采集到球面上17 780個近場場點的數(shù)據(jù)信息（兩個正交極化及其幅值相位）。將采集到的近場數(shù)據(jù)信息通過近遠場變換技術(shù)，即可得到由17 780個近場數(shù)據(jù)信息生成的遠場數(shù)據(jù)。最后，應用Satenv數(shù)據(jù)處理軟件處理數(shù)據(jù)，便可生成遠場區(qū)域球面上的任一點、任一切面以及任意立體角所張球面上的場強和通過功率[2]。

圖1 端口1水平面方向圖

圖2 端口3水平面方向

圖3 SG128球面近場暗室

128暗室的數(shù)據(jù)采集探頭采用的是正交極化方式的雙極化天線。因此，在數(shù)據(jù)采集過程中，被測天線的安裝姿態(tài)固定不動便可采集到交叉極化信息，天線隨轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180°即可采集到被測天線球面上的全部數(shù)據(jù)信息。被測天線三維立體方向圖如圖4所示，圖示位置為某劈裂天線測試三維立體圖中最大輻射位置，增益值為18.56 dB。

圖4 三維立體方向圖

2.2 室外遠場測試方案

遠場測試是直接測量待測天線的遠場數(shù)據(jù)。遠場測試原理是通過源天線發(fā)射的平面波到達被測天線后，通過測量天線的接收參數(shù)，利用天線的互易性原理，得到天線的傳播特性參數(shù)。

在天線測試方案中，遠場測試最直接。當測試距離足夠遠時，入射波到達被測天線時近似于平面波。被測天線隨轉(zhuǎn)臺作360°旋轉(zhuǎn)，源喇叭天線可以極化旋轉(zhuǎn)。遠場測試距離需滿足遠場判據(jù)，測試距離越遠時，空間損耗會越大。因為遠場測試只有一個探頭，所以單次測試只能畫出天線輻射球面上水平面或垂直面的一個切面。要想得到完整的輻射球面3D圖，則需要在不同的切面上進行測量，大幅增加了測試時間和測試成本。因此，在劈裂天線的遠場測試系統(tǒng)中受測試效率和成本的影響，很難全面刻畫天線特性。受天線輻射方式、有限距離、環(huán)境因素、角度測量誤差以及測量裝置產(chǎn)生的誤差等影響，在測試過程中探頭很可能會偏離待測天線最大輻射方向的位置，導致測試結(jié)果無法反映天線的真實性能[3]。

3 測試結(jié)果分析

在天線遠場測試中，受測試場地和測試效率的影響，一般不會畫出天線整個的3D方向圖。因為劈裂天線較傳統(tǒng)天線的輻射方式不同，所以在天線輻射參數(shù)測試過程中很有可能偏離被測天線的最大輻射處所在切面。下面以SG128球面近場測試結(jié)果為依據(jù)，分析因諸多因素造成的增益測試結(jié)果差異。

通過對某劈裂天線的下傾角為2°和頻點為1 755 MHz的某一端口測試結(jié)果進行分析。在被測劈裂天線3D圖中，增益在方位62°、俯仰92.5°位置取得最大值為18.56 dB。表1為當俯仰角固定在92.5°時不同方位角所對應的增益值，以此來模擬遠場測試垂直面方向圖時因位置偏離最大輻射方向而造成的測試結(jié)果差異。如圖5所示，天線偏離最大輻射位置越大時，測試所得增益值越不可靠。

表1 垂直面不同位置增益值

圖5 增益隨方位角變化

4 結(jié) 論

在劈裂天線方向圖測試中，由于遠場單次測試只能畫出天線輻射球面的一個切面，受其輻射特性的影響，要得到劈裂天線較為可靠的數(shù)據(jù)需要不斷變換天線安裝角度來畫出天線輻射球面的更多切面。這種方式不僅測試效率低下且受人為因素影響，偏離最大輻射處越多，測試值越不能反映出天線最優(yōu)性能。在球面近場測試中，被測天線旋轉(zhuǎn)半周即可測得天線場點的全部信息，不需要重復調(diào)整和安裝天線，不僅提高了測試效率，還排除了在遠場測試中由于不斷變換安裝位置而產(chǎn)生的誤差。單次測試即可得到球面上任一點、任一切面以及任意立體角所張球面上的場點信息，通過軟件分析便可得到天線各個端口不同頻點的所有測試指標。因此，在劈裂天線方向圖測試中,采用球面近場測試能更好更高效地反映出天線的實際性能。本文研究了劈裂天線的不同測試的方法，利用128球面近場實際測試，研究室外遠場和球面近場不同的測試方案，分析不同場地測試能力和測試效率，提出了不同測試方案的優(yōu)缺點，可為當前劈裂天線測試提供參考。