移动通信基站天线互调的参数化分析方法

2015-12-23吴卫华

移动通信 2015年12期

关键词：馈电三阶振子

吴卫华

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北武汉 430205）

移动通信基站天线互调的参数化分析方法

吴卫华

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北武汉 430205）

针对当前基站天线设计生产厂家的互调经验分析方法，提出了基站天线互调的参数化分析方法。通过引入能量和相位的概念，介绍了基站天线互调设计原则，研究了基站天线互调生产参数化管控手段，分析了基站天线互调返修中的参数化故障定位方法，并通过实验证实了在3个环节之间建立有效的参数化反馈机制可以实现参数化分析基站天线互调。

基站天线互调时域反射故障定位

1 引言

在移动通信系统中，基站天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副基站天线既可以辐射又可以接收无线电波：发射时，将收发信机馈给的射频电能转换为电磁波能；接收时，把电磁波能转化为射频电能并输送到收发信机。网络运营商为提升网络质量、增加覆盖范围，收发信机的机顶功率在不断增加，基站天线也由定向天线升级为电调天线，由双端口单频天线升级到10端口5频天线，同时基站天线的三阶互调最低要求也达到了-107dBm。

基站天线的主体结构由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成，馈电网络可进一步细分为端口跳线、功分器、接线端子、移相器等部件。现有基站天线设计生产厂家：在天线互调设计中，遵循的是经验设计方法；在天线互调生产控制中，遵循的是过程管控方法；在天线互调返修中，遵循的是经验排除方法。3个环节之间缺乏有效的参数化反馈机制，需要大量有长期互调实践经验的工程师，通过在各自领域积累的经验和知识，来支持整个基站天线的互调设计保证、互调生产直通率、互调返修合格率及效率。

随着移动通信技术的发展，基站天线在向双极化、电调、多频、振子复用方向演进，如图1所示。基站天线在向多频多端口演进的同时，其体积受铁塔安装空间限值不能增加太多，同时部分网络运营提出了比三阶互调-107dBm更高的要求，互调要在天线小型化的基础上继续优化提高，基于经验的互调分析方法已经不能满足基站天线互调设计实现、互调生产直通率以及互调返修合格率和效率。

图1 基站天线技术演进示意图

基于此，本文建立了移动通信基站天线互调的参数化分析方法：在能量和相位的维度，将基站天线互调参数化分解到各部件，明确提出各部件互调要求，并编制出以各部件互调值为参数的基站天线互调参数化表格。在基站天线互调参数化分解到各部件的基础上，利用参数化分析方法，明确基站天线在预制、焊接、装配、清洁各个环节对人、机、法的参数化要求，互调生产直通率通过互调工艺设计实现。基于能量和相位，搭建可参数化定位基站天线互调故障点和故障值的互调测试平台，准确判定基站天线互调故障点，提升基站天线互调返修合格率和效率。

2 基站天线互调参数化设计

基站天线互调参数化设计方法包括以下步骤：

（1）如图2所示，以某基站天线连接收发信机的端口为起点、将射频电能转换为电磁波能的振子为终点，将射频传输的途径分成2个部分：第1部分是能量等幅分配和同相位；第2部分是能量不等幅分配和可变相位差。

（2）第1部分包含端口跳线、功分器、接线端子、移相器输入端，其等同于馈电网络；第2部分包含移相器输出端、振子及连接振子的跳线。

（3）将影响基站天线互调的4大因素（电镀、焊接、接触、清洁）分解到基站天线2个部分中去。

图2 基站天线馈电网络示意图

（4）根据能量分配原理，将端口反射互调测试的双音射频信号载波功率分解到第1部分各部件中去，射频电能传播公式为：

根据能量合成原理，同相位的三阶互调产物在反射互调时直接叠加合成，公式如下：

（5）根据馈电网络中功分器的特征，可得出各振子的能量方程；根据基站天线电下倾角调整对应的移相器电长度变化，可得出各振子相位方程。这2个方程可综合为各振子的能量相位方程，根据能量合成原理，存在相位差的三阶互调产物可通过三角函数方程合成：

（6）载波功率每增减1dB，则三阶互调产物增减3dB。

（7）馈电网络中各部件的互调设计要求值可通过步骤（4）和步骤（6）参数化。

（8）第2部分振子的互调设计值可通过步骤（5）和步骤（6）参数化，由于相位差影响，互调设计值有一个区间，最差值对应最小的下倾角，最优值对应最大的下倾角，振子互调设计值取最差值。

（9）材料的缺陷、磁滞等决定材料互调，当部件材料互调值低于部件互调设计理论值时，部件互调设计理论值由材料决定。通过步骤（6）可发现，材料在对应不同载波功率时互调产物不同。材料互调值和部件互调设计理论值的比较要基于对应的载波功率。

3 基站天线互调生产参数化管控

基站天线互调生产参数化管控方法包括以下步骤：

（1）基站天线各部件的互调设计值为理论值，在实际生产中会由于电镀、焊接、接触、清洁这4大因素离散化的同时恶化。

（2）互调离散度主要由以下几点决定：

◆电镀、焊接、接触、清洁这4大因素的影响减少或减弱；

◆各工序操作人员好/中/差素质的比例；

◆装配焊接清洁工装夹具的一致性和使用比例；

◆是否配置过程检验排除互调不合格部件。

（3）如图3所示，为保证互调直通率，有2个措施：措施1为提高互调设计理论值（当为材料互调受限时，提升材料互调值），冗余较大的互调离散化及恶化；措施2为合理的互调设计理论值，减小互调离散，降低互调恶化程度。

图3 基站天线互调离散度示意图

（4）步骤（3）中，措施1会增加基站天线某些部件互调设计难度（或提升材料互调要求），提升互调直通率保证成本；措施2可通过基站天线互调生产参数化管控方法实现。

（5）互调设计理论值无法提供较大余量的，可通过减小互调离散度实现。

（6）互调设计理论值有较大余量的，可适当放宽互调离散度，降低生产管控要求。

（7）对于影响互调离散度的第1、2、3点因素，可通过大量生产质量数据，再通过统计学的方法形成影响互调离散度参数。对于影响互调离散度的第4点因素，在前3点因素可控后，形成双重保险，提升互调直通率，并同步收集了新的质量数据为再次优化影响互调离散度参数做好准备。

4 基站天线互调返修中的参数化故障定位

基站天线互调返修中的参数化故障定位方法包括以下步骤：

（1）测试不同电下倾角下的基站天线三阶互调值，若存在互调测试值随着电下倾角度增加逐渐变好但最差值低于互调合格值时，可判断互调故障点为振子或其连接跳线，通过各振子的能量相位方程，从能量最大、相位差最小的成对振子间检查焊接、接触、清洁等生产管控点，通过返修解决，再次测试互调，若仍不合格，继续排查能量次大、相位差次小的成对振子，直到互调合格。

（2）在步骤（1）测试中，若互调测试值随着电下倾角度增加基本不变但测试值低于互调合格值时，可基本排除振子的互调问题，将互调问题定位到馈电网络，详见后续步骤（3）至步骤（6）。

（3）将同轴电缆的长度、PCB上的蚀刻电路长度转换成基于双音射频信号和三阶互调产物对应频率的电长度，其中双音射频信号频率对应f1、f2，三阶互调产物对应频率为2f2-f1，电长度对应的频率取3个频率的算数平均值为：?

（4）如图4所示，根据基站天线部件距离端口的电长度，将基站天线馈电网络不同部件互调设计值绘制成图表。横坐标为电长度值、纵坐标为部件三阶互调产物值，在图表上根据互调参数化设计和互调参数化生产数据，预先绘制出2条轨迹：第1条轨迹与横坐标平行，纵坐标值为基站天线互调合格值；第2条轨迹为计算互调离散度后的部件互调设计实际值。

（5）搭建可参数化定位基站天线互调故障平台，此平台基于时域反射原理，通过软硬件一体化配置，可跟踪双音射频信号发出到接收到三阶互调产物的时间和幅度，并转化成图4中的连续标记点，通过与图4中2条轨迹的比对，直观显示部件故障互调值和故障位置。

（6）可参数化定位基站天线互调故障平台通过预先校准，将图4横坐标的电长度零点调整为基站天线端口。

图4 基站天线互调返修参数化故障定位

5 结束语

采用基站天线互调参数化设计方法，引入能量和相位的概念，将基站天线互调参数化分解到各部件，明确提出各部件互调要求，并编制出以各部件互调值为参数的基站天线互调参数化表格，改变了传统天线互调设计主要依靠经验的方法，可以大大减少工程师的互调实践经验积累，进而减小互调设计风险和周期，且使得基站天线互调设计完全参数化。

采用基站天线互调生产参数化管控方法，引入互调离散度的概念，并将互调离散度的影响因素通过统计学的方法参数化，改变了传统天线互调生产无法量化对人、机、法的要求，互调生产直通率不高且有波动的问题，可以大大提升互调生产直通率且能对其不断进行优化。

采用基站天线互调返修中的参数化故障定位方法，引入对应频率的电长度概念，并绘制横坐标为电长度值、纵坐标为部件三阶互调产物值的图表，将实际测量的互调产物经过频域变化为基于电长度的互调值，经过对比可直观发现部件互调故障点和故障值，改变了传统天线互调返修主要采取效率低下的排除法，并且排除效率完全取决于工程师的长期互调实践经验，可以大大提升互调返修效率和返修合格率。

在移动通信基站天线互调分析方法领域，本文通过突破本领域的惯性认知，可以实现参数化分析基站天线互调。

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Parametric Analysis Method on Passive Intermodulation of Mobile Communication Base Station Antenna

WU Wei-hua
(Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

According to analysis method on passive intermodulation (PIM) of base station (BS) antenna’ manufacturer at present, a parametric analysis method on PIM of BS antenna was proposed. The concepts of energy and phase were introduced and design principle of BS antenna PIM was described. Parametric control means of BS antenna PIM production was studied and parametric default location method of BS antenna PIM in repair was analyzed. It is verifi ed through experiment that the establishment of effective parametric feedback mechanism between three links can achieve parametric analysis on PIM of BS antenna.

base station antenna passive intermodulation (PIM) time domain refl ection fault location