移动通信基站驻波系数检测及优化

刘志敏

京信网络系统股份有限公司

0 引言

移动通信是当前全球发展最快的行业之一，也是当今高新技术的代表和国家战略性基础设施。建设优质的移动通信网络，既有利于壮大信息消费、拉动有效投资，促进工业化、信息化、新型城镇化和农村现代化建设，也可以创造就业，扩大内需，推动“内循环”的稳步发展。基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Thing，NB-IoT）是移动通信在5G领域一个新的应用，支持低功耗设备在广覆盖的广域网的蜂窝数据连接。NB-IoT宏基站是NB-IoT网络的重要组成部分。NB-IoT宏基站为了提升线性度和效率，普遍使用数字预失真（Digital pre-Distortion，DPD）技术。

在实际工程使用过程中，天线异常、工程安装不规范等问题，会导致基站输出所接负载不匹配，回波显著提高，导致设备输出功率明显降低、覆盖范围显著缩小、覆盖边缘的物联网终端接入不稳定甚至离线。如果长期处于这种状态，还将导致设备运行稳定性下降、设备可靠性降低，甚至出现设备烧毁的现象。基于此，驻波测试和告警就显得尤为重要。

1 驻波检测方案

刘畅远等学者描述了在双工器输出端参考点B处增加耦合器，耦合双工器输出端口前向和反向功率，然后计算出双工器输出口驻波。该方案在主通路上增加了额外耦合器，降低了基站输出功率和灵敏度，同时，增加了耦合器和功率检测电路，导致硬件成本明显增加。

朱加强等学者描述了利用在PA（Power Amplifier）模块和双工器模块之间耦合器，引出耦合器的反向功率，通过切换开关，复用DPD反馈回路进行功率检测。该方案成本增加不明显，但是所检测的是双工器下行输入口参考点A处的驻波，不是双工器输出口参考点B处的驻波。当双工器端口驻波不等于1时，该方案测量的驻波和实际驻波之间存在明显误差。如图1所示。

图1 宏基站驻波检测方案

本设计在不显著增加硬件成本、不在主链路增加额外损耗的前提下，精确测量并计算出参考点B处的驻波。

2 理论推导

二端口网络可以使用S矩阵进行描述，S参数矩阵方程定义为：其中，V和I分别为每一端口电压和电流的列向量，zk0是每一端口

其中，ak是端口k的入射波，bk是端口k的反射波（k=1, 2）。的特性阻抗。

从上述S矩阵方程可以看出，当2端口接匹配负载时，被完全吸收，为零：

可以看出，S11表示的物理意义是端口2接匹配负载时，端口1的电压反射系数；S21表示的物理意义是端口2接匹配负载时，端口1到端口2的传输系数。

当1端口接匹配负载时，b1被完全吸收，a1=0：

同理，可以看出，S22表示的物理意义是端口1接匹配负载时，端口2的电压反射系数；S12表示的物理意义是端口1接匹配负载时，端口2到端口1的传输系数。

对于端口1：

3 驻波检测方案实现

如图1所示，在上行低噪放输入端口匹配较好的情况下，可以将双工器等效为二端口网络。其中，A参考面为端口1，B参考面为端口2。对于该二端口网络S参数，以方程的形式描述如下：

对于该系统进行如下校准：在端口2分别接匹配负载、全反射负载和驻波为2（反射系数为1/3）的失配负载，从端口1输入相同的入射波，测试端口1的反射波，分别记作a1，b11，b12，b13。考虑到该双工器是互易网络，得到如下方程组：

在该方程组中，有S11，S12，S21，S22，a22，b22，a23，b23共8个未知数，解该八元一次方程组得到S11，S12，S21，S22。于是，得到了双工器二端口网络的S参数。

当B参考面接任意负载时，都可以在A端口输入入射波，测试入射波和反射波功率，从而计算出B端口的入射波a2和反射波b2。从B参考面向天线端看过去，入射波为b2，反射波为a2。通过b2和a2就可以计算出天线口的驻波系数：

4 结束语

利用功放和双工器之间的DPD功率检测，实现了功放末端的VSWR检测。通过3次校准，计算出双工器二端口网络的S参数，从而推导出使用双工器前端入射功率和反射功率计算出天线口VSWR的计算公式，实现了低成本高精度的驻波检测方案，在实际基站中得以应用，取得较好的效果。