波束赋形在智能天线测试中的应用

胡洋 喻春 周进

（重庆信息通信研究院 重庆市 401336）

随着移动通信的不断进步，尤其大规模阵列有源天线逐渐部署，智能天线近年来获得了迅猛发展，但智能天线结构复杂，指标多，质量一致性较难保证。在天线方向图测试中，主要有单元波束、广播波束和业务波束，由于受到测试效率的限制，合成波束仅测试几个典型波束，如65 度广播波束、业务0 度波束和业务60 度波束等，即便如此，广播和业务波束测试仍占总工作量的70%以上，整个天线测试时间长达数个小时，且测试不够全面，不便综合评价天线性能。

在实际测试合成波束时，通过选用不同的功分板来调整单元波束的幅度和相位，由于功分板的应用，增加了测试器件，不可避免的给测试带来更大的不确定性。基于广播波束、业务波束是由单元波束赋形获得，本文期望通过理论计算与实际测试的比较，探讨是否可以运用理论计算来替代大量的合成波束测试工作，分析其中的测试误差，更合理的对天线性能进行评价。实现部分测试加仿真的方式替代合成波束实际测试，可以在此基础上开发仿真软件，将天线赋形权值表导入软件，就可以获得任意波束的性能参数，在此过程中因不使用功分板等工装，减少了测试的不确定性，可提高测试的可重复性，能够更精确的评价天线性能。

另外，通过软件仿真，不需要大量开发功分板，可缩短研发周期，节约开发成本，通过对单元波束的精确测试，还可为合成波束的权值优化提供参考。

1 智能天线介绍

随着移动通信的不断进步，用户数据需求正呈现爆发性的增长，特别是需要实时传输大量数据的无线应用，如视频直播、高清电话会议、虚拟现实游戏等，对网络容量是严峻的考验。同时对通信的可靠性和时延提出了极为苛刻的要求，如工业自动化、无人驾驶、人工智能等。大容量与低延时已逐渐成为业界对下一代无线通信网要求的共识。

面对强烈需求，背靠紧缺资源，如何满足科技爆发时代对速率的需求，为社会架起一条高速信息管道? “5G”正在给出答案。5G 即第五代无线通信系统，是在走过模拟通信、第二代、第三代和正在经历的第四代LTE 系统之后，通信人正在攀登的另一座高峰。

一个体系的革新换代，其中必包含了无数的创新点，5G也是如此，大规模天线阵列已成为一项关键技术。它的应用不单可以大幅度提升网络容量和用户体验，也将对通信行业产成深远的影响。目前网络中主要应用的是4488、4448、FA/D 等多端口天线，由天线阵列、移相器、馈电网络等组成，智能天线阵由4 列双极化天线构成，每两组±45°交叉极化天线构成1 列，每组由9 到11 个天线振子构成，整付天线约有80 个天线振子。使用时，根据需要每组振子分配指定的幅度、相位权值，4 组同极化振子赋形成最终的业务波束，调整幅度、相位权值可改变业务波束指向。智能天线结构示意图如图1 所示。

图1：智能天线结构示意图

2 波束赋形的原理

当只存在单个天线振子时，以同极化方向从各个角度对电场振幅进行观测时，信号是各向同性衰减的，不存在方向选择性；如果增加一个同极化方向的振子，且两个振子处于同一位置时，即使两个天线发射信号可能存在一定的相差，但从任何角度观测，两列波的相差并不随观测角度的变化而发生变化，因此信号仍然不存在方向选择性。

如果增加一个同极化方向的振子，且两个振子保持一定间隔，则两列波之间会发生干涉现象，即某些方向振幅增强，某些方向振幅减弱。出现上述现象的原因可由图2 解释，假设观测点距离天线振子很远，可以认为两列波到达观测点的角度是相同的。此时两列波的相位差将随观测角度的变化而变化，在某些角度两列波同相叠加导致振幅增强，而在某些方向反相叠加导致振幅减小，总的场强呈现方向性。

图2：波的叠加示意图

在多端口智能天线中，每个业务端口由四列天线振子组成，振子间距约1/2 波长，每列振子形成前后功率比约20dB，半功率波束宽度约100°的定向波束。通过对每列振子赋予不同的幅度、相位，使四列波束相互干涉，形成我们需要的业务波束和广播波束。

为准确仿真赋形波束，需要测量单元间的间距d，不同厂家的间距有微小的差异，一般在75mm 左右，由于天线已经封装，无法准确测量单元间距，因而精确测量单元波束后，赋形仿真存在较大的不确定度，测试结果无法满足行业标准要求，因而该方法在测试中受到限制。

在远场测试系统中，智能天线单元波束测试时，为提高测试效率，并没有将每个单元的相位中心与转台旋转中心重合，实际测试示意图如图3 所示，单元阵列与旋转中心的距离为d/2 或3d/2（其中d 约为75mm），会影响单元波束宽度，副瓣位置等测试精度，因单元波束指标不属于关键性能指标，测试时不会太关注。四列单元波束在同一角度，不同的旋转半径上同时接收，因而每单元端口接收的信号已包含收发距离造成的相位差，通过功分板以不同的幅度和相位进行叠加。本方法以仿真来代替功分板的幅度、相位叠加，因而不需要考虑单元间距。

图3：天线单元波束远场测试示意图

3 软件实现

软件使用C Sharp 语言实现，波束合成按照以下步骤执行：

（1）将两个单元方向电平拆分为实部和虚部；

实现代码如下：

（1）定义用来存储单个测试点的类或结构体，包含测试角度、幅度和相位

（3）重复第二条，可对多个信号依次叠加，并完成整个方向图的叠加运算，输出赋形后的方向图

4 测试应用

4.1 试验环境

测试系统选用锥形远场暗室及转台，暗室长度25米，宽、高各6 米，天线收发距离20 米，在频率范围800MHz ～6GHz 的静区反射电平小于-30dB，暗室屏蔽大于90dB，转台精度0.1°，测试仪表选用网络分析仪。

选用单元增益约为15dBi 的FA/D 独立定向天线，测试频点选择1880MHz、1900MHz、1920MHz、2010MHz、2018MHz、2015MHz、2535MHz、2550MHz、2600MHz、2635MHz 等31 个频点，赋形波束为业务0°波束，比较实际测试结果与仿真结果的差异，研究理论计算能否满足实际测试需求。

4.2 试验参数

影响天线方向图的因素有：暗室静区、收发信机的精度及稳定性能、收发天线之间的耦合、收发天线的极化匹配、测试距离、端口电压驻波比、天线的安装、转台精度、电缆损耗等。除暗室静区外，其它因素综合不确定度按照0.5dB计算。在此统计方向图增益、波宽、前后比、副瓣，验证仿真结果是否符合标准要求。

4.3 试验方法

第一步：将天线安装在抱杆上，使天线物理中心与转台旋转中心重合，且与发射天线对准，并用水平尺测量天线是否有倾斜。

第二步：使用网络分析仪同一收发端口，分别对智能天线8 个单元端口进行测试，没有参与测试的端口连接50Ω负载，分别测试垂直面主极化方向图、水平面主极化方向图、水平面交叉极化方向图，获得类似表1 的方向图文件，文件为Txt 文本格式，角度间距应小于0.5°。

表1：方向图数据格式

第三步：将业务0°功分板的1、2、3、4 端口分别连接智能天线的1、2、3、4（或5、6、7、8）端口，没有参与测试的端口连接50Ω 负载，测试天线业务0°波束方向图。

第四步：使用网络分析仪测试业务0°功分板每个通道的幅度和相位，没有参与测试的端口连接50Ω 负载，获得扩展名为“Csv”的文本文件，数据格式如表2，频率间距为1MHz，或与方向图频率一一对应。

表2：功分板数据格式

第五步：使用功分板的幅度、相位信息，对测试的单元波束进行仿真计算，获得仿真的业务0°方向图。

第六步：比较实测方向图与仿真结果。

5 结果验证

5.1 方向图图形

图4 为个别频点的垂直面和水平面方向图，仿真结果与实测数据具有较好的一致性

图4：方向图比较

5.2 天线增益

将测试增益和仿真增益汇总在表3 中，两幅天线，四个端口，三十一个频点，共124 个实测数据和124 个仿真数据。

表3：增益结果汇总

如图5 所示，增益平均偏差±0.1dB 以内，最大偏差-0.53dB，基本满足行业标准增益测试误差±0.5dB 的要求。

图5：增益偏差

做增益偏差的直方图及正太分布曲线，绝大多数偏差在±0.2dB 以内。

5.3 前后比

此处摘选主极化前后比测试值，将测试数据和仿真数据汇总在表4 中。

表4：垂直面半功率波束宽度结果汇总

如图6 所示，对35dB 的测试值，平均偏差0.12dB，个别偏差超过3dB，完全满足行业标准±2dB@25dB 的精度要求做前后比偏差的直方图及正太分布曲线，绝大多数在2dB以内。

图6：水平面半功率波束宽度偏差

6 影响仿真结果的因素

影响天线增益、方向图测试精度的因素有：参考天线的校准值、天线阻抗、电缆接头与天线的连接力度、转台精度、测试仪表稳定性、安装位置重复性、暗室反射电平、仪表采样时延等等。仿真结果基于实测单元波束方向图，确保单元波束测试准确是实现软件仿真的基础，另外，还需要好的暗室和转台。