劈裂天线及其测试方法的探讨

赵 权，蔡立欣

（中国信息通信研究院（中国泰尔实验室），北京 100045）

0 引 言

随着网络业务的飞速发展和用户数量的不断增多，现有频率资源已经无法满足热点区域业务的发展需求。覆盖和容量问题逐步成为网络发展的瓶颈。劈裂天线能够满足人们对大容量天线的需求，不仅提高了移动通信系统的系统容量，而且工程建设中只需更换天线、新增馈线以及叠加机柜即可。在无线电频谱资源日益拥挤的今天，劈裂天线的使用具有十分重要的现实意义。但是，劈裂天线的辐射方式区别于传统天线，如何测试其参数成为关键问题[1]。

1 劈裂天线与传统天线的比较

劈裂天线是将两根双极化天线集成在一个天线罩中，使其原先的一个扇区分裂成两个水平波宽为33°的扇区，从而实现一面天线可以向法线两侧发射两束波束。在天线架设时，可以做到三面天线支持6个扇区，且相比传统天线，大幅提高了旁瓣抑制性能，降低了扇区间的干扰，有效提高了基站容量。以某4端口劈裂天线为测试样本，其中端口1和端口2辐射方向为法线左侧30°，端口3和端口4辐射方向为法线右侧30°，通过在128球面近场测试，绘制了端口1和端口3的水平面方向图，如图1和图2所示。

2 劈裂天线测试方案

2.1 多探头球面近场测试方案

近场测试通过近场测量系统的中心计算机控制，扫描并采集天线近场区域的幅度和相位等信息，再通过傅立叶变换得到远场区域的幅度、相位信息以及方向图的分布情况。

图3为实验室SG128球面近场暗室，采用法国MVG公司的测量系统，系统频率范围为400 MHz～6 GHz。暗室主要由10 m×10 m×12 m内附高吸波材料的金属屏蔽墙体为主体框架，以均匀分布在直径为6.4 m的圆环架上的128个双极化探头和转台组成。系统的运动控制器通过步进电机和驱动转轴带动转台旋转。将圆环中心作为天线坐标系统原点，垂直方向360°范围内电子扫描和水平180°范围内机械扫描相结合，组成了球面近场采样基本方式。在测试过程中，8个通道能够实时切换状态，可以一次测量得到8个通道的相位值，极大地提高了测试效率。

将某4端口劈裂天线架设在抱杆上并用扎带绑紧，将连接射频发射源的4根测试射频线连接至被测天线的4个端口。测试过程中，射频接收机会依次接收128个双极化探头的数据信息。天线随转台作2.571°步进的水平旋转，每当转台转过一个角度，圆环上的双极化探头依次采集127（128个探头，其中1个为校准口）个近场区域的幅值和相位信息。劈裂天线随转台旋转180°，完成一个通道的测试。天线随转台回转到初始位置，电子切换开关切换到下一个通道继续进行下一个通道测试，直到最后一个通道测试完成。每个通道下的任一测试频点都可以采集到球面上17 780个近场场点的数据信息（两个正交极化及其幅值相位）。将采集到的近场数据信息通过近远场变换技术，即可得到由17 780个近场数据信息生成的远场数据。最后，应用Satenv数据处理软件处理数据，便可生成远场区域球面上的任一点、任一切面以及任意立体角所张球面上的场强和通过功率[2]。

图1 端口1水平面方向图

图2 端口3水平面方向

图3 SG128球面近场暗室

128暗室的数据采集探头采用的是正交极化方式的双极化天线。因此，在数据采集过程中，被测天线的安装姿态固定不动便可采集到交叉极化信息，天线随转台旋转180°即可采集到被测天线球面上的全部数据信息。被测天线三维立体方向图如图4所示，图示位置为某劈裂天线测试三维立体图中最大辐射位置，增益值为18.56 dB。

图4 三维立体方向图

2.2 室外远场测试方案

远场测试是直接测量待测天线的远场数据。远场测试原理是通过源天线发射的平面波到达被测天线后，通过测量天线的接收参数，利用天线的互易性原理，得到天线的传播特性参数。

在天线测试方案中，远场测试最直接。当测试距离足够远时，入射波到达被测天线时近似于平面波。被测天线随转台作360°旋转，源喇叭天线可以极化旋转。远场测试距离需满足远场判据，测试距离越远时，空间损耗会越大。因为远场测试只有一个探头，所以单次测试只能画出天线辐射球面上水平面或垂直面的一个切面。要想得到完整的辐射球面3D图，则需要在不同的切面上进行测量，大幅增加了测试时间和测试成本。因此，在劈裂天线的远场测试系统中受测试效率和成本的影响，很难全面刻画天线特性。受天线辐射方式、有限距离、环境因素、角度测量误差以及测量装置产生的误差等影响，在测试过程中探头很可能会偏离待测天线最大辐射方向的位置，导致测试结果无法反映天线的真实性能[3]。

3 测试结果分析

在天线远场测试中，受测试场地和测试效率的影响，一般不会画出天线整个的3D方向图。因为劈裂天线较传统天线的辐射方式不同，所以在天线辐射参数测试过程中很有可能偏离被测天线的最大辐射处所在切面。下面以SG128球面近场测试结果为依据，分析因诸多因素造成的增益测试结果差异。

通过对某劈裂天线的下倾角为2°和频点为1 755 MHz的某一端口测试结果进行分析。在被测劈裂天线3D图中，增益在方位62°、俯仰92.5°位置取得最大值为18.56 dB。表1为当俯仰角固定在92.5°时不同方位角所对应的增益值，以此来模拟远场测试垂直面方向图时因位置偏离最大辐射方向而造成的测试结果差异。如图5所示，天线偏离最大辐射位置越大时，测试所得增益值越不可靠。

表1 垂直面不同位置增益值

图5 增益随方位角变化

4 结 论

在劈裂天线方向图测试中，由于远场单次测试只能画出天线辐射球面的一个切面，受其辐射特性的影响，要得到劈裂天线较为可靠的数据需要不断变换天线安装角度来画出天线辐射球面的更多切面。这种方式不仅测试效率低下且受人为因素影响，偏离最大辐射处越多，测试值越不能反映出天线最优性能。在球面近场测试中，被测天线旋转半周即可测得天线场点的全部信息，不需要重复调整和安装天线，不仅提高了测试效率，还排除了在远场测试中由于不断变换安装位置而产生的误差。单次测试即可得到球面上任一点、任一切面以及任意立体角所张球面上的场点信息，通过软件分析便可得到天线各个端口不同频点的所有测试指标。因此，在劈裂天线方向图测试中,采用球面近场测试能更好更高效地反映出天线的实际性能。本文研究了劈裂天线的不同测试的方法，利用128球面近场实际测试，研究室外远场和球面近场不同的测试方案，分析不同场地测试能力和测试效率，提出了不同测试方案的优缺点，可为当前劈裂天线测试提供参考。