天線架設(shè)方式對(duì)天線測(cè)試的影響淺析
【摘要】分析了在移動(dòng)通信基站天線架設(shè)過(guò)程中天線相位中心偏離轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸中心對(duì)天線測(cè)試的影響，采用理論分析與實(shí)測(cè)相結(jié)合，實(shí)測(cè)結(jié)果表明：天線相位中心偏離轉(zhuǎn)軸中心時(shí)，主要引起方向圖角度誤差，導(dǎo)致波寬偏窄;并通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了金屬桿對(duì)天線測(cè)試的影響，數(shù)據(jù)顯示：金屬桿對(duì)置于支撐桿的頂部的低增益天線(如室分天線、喇叭天線等)影響較大，而對(duì)抱于支撐桿上的高增益天線(如基站天線)幾乎沒(méi)影響，該分析為科學(xué)合理地架設(shè)天線提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】天線架設(shè) 測(cè)量誤差 相位中心
一、引言
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)對(duì)天線的輻射性能指標(biāo)要求越來(lái)越高，如何提高天線測(cè)試的準(zhǔn)確度已成為天線測(cè)量的主要任務(wù)。影響測(cè)試準(zhǔn)確度的因素包括測(cè)試設(shè)備、測(cè)試環(huán)境、天線架設(shè)方式等，現(xiàn)有文獻(xiàn)普遍關(guān)注的是測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境對(duì)天線測(cè)量的影響，本文將圍繞天線架設(shè)方式開(kāi)展討論，為科學(xué)合理地架設(shè)測(cè)試天線、提高測(cè)試準(zhǔn)確度提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
二、天線架設(shè)方式對(duì)天線測(cè)試的影響
2.1 天線架設(shè)方式
天線架設(shè)方式如圖1所示：
(a)天線相位中心位于轉(zhuǎn)軸上(b)天線相位中心偏離轉(zhuǎn)軸
架設(shè)天線時(shí)，理想的情況是天線的相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸重合，如圖1(a)所示。但對(duì)于寬頻多端口天線，如LTE智能天線，無(wú)法完全滿足天線所有端口的相位中心在全頻段內(nèi)均位于轉(zhuǎn)軸上，如圖1(b)所示，這將給測(cè)試帶來(lái)誤差。
2.2 理論分析
(1)天線口面的幅度均勻性分析
首先，對(duì)待測(cè)天線口面上的幅度分布進(jìn)行分析。發(fā)射天線選用增益為15dBi、水平面波寬為34°、垂直面波寬為32°的喇叭天線，收發(fā)天線距離為35m，靜區(qū)直徑為3m，有效輻射區(qū)域天線輻射張角為±2.5°，靜區(qū)場(chǎng)強(qiáng)幅度分布如表1所示：
(2)相位中心偏離轉(zhuǎn)軸對(duì)波束寬度的影響
如圖2所示，A為轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸中心，發(fā)射天線位于O點(diǎn)，待測(cè)天線位于P點(diǎn)，待測(cè)天線相位中心偏離轉(zhuǎn)軸距離d，天線指向?qū)?zhǔn)OP方向，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)φ角，天線相位中心旋轉(zhuǎn)到B點(diǎn)，天線指向旋轉(zhuǎn)θ角，設(shè)OA=r。
天線相位中心與轉(zhuǎn)軸重合時(shí)，方向圖為：
f(φ)=f0(φ)/r(1)
天線相位中心偏離轉(zhuǎn)軸中心時(shí)，方向圖為：
f’(φ)=f0(θ)/r’=f0(φ+β)/r’ (2)
其中：
(3)
(4)
由式(2)可知，波寬測(cè)試誤差不僅與偏心距離d有關(guān)，還與測(cè)試距離r以及天線的波瓣寬度φ有關(guān)。當(dāng)測(cè)試距離r為38m時(shí)，不同波寬天線的波寬測(cè)試誤差Δ與偏心距離d的關(guān)系如圖3所示：
由圖3可得出如下結(jié)論：
天線波寬φ一定時(shí)，測(cè)試誤差Δ隨著天線偏心距離d的增加而增大;
偏心距離d一定時(shí)，天線波寬φ越寬，則測(cè)試誤差Δ越大。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)
基于前面的理論分析，對(duì)兩面天線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。表2和表3給出天線位于轉(zhuǎn)軸中心、天線偏離轉(zhuǎn)軸中心0.35m這2種情況下的實(shí)測(cè)波寬值，取測(cè)試距離r=38m、天線波寬φ=65°，兩天線的工作頻段分別為806―960MHz、1710―2170MHz)。
三、金屬支撐桿對(duì)天線測(cè)試的影響
關(guān)于天線測(cè)試需采用何種材質(zhì)的支撐桿，目前業(yè)界還存在爭(zhēng)議。理論上，非金屬桿對(duì)天線測(cè)試影響相對(duì)較小，金屬桿對(duì)天線本身的性能影響相對(duì)較大，但金屬桿具有便于制作、承載力大、安裝穩(wěn)固等優(yōu)點(diǎn)。此外，在基站天線的使用現(xiàn)場(chǎng)，安裝抱桿采用的是金屬桿。由此可見(jiàn)，金屬桿屬于“良性測(cè)試環(huán)境”，更接近天線的實(shí)際使用情況。
3.1 金屬支撐桿
本文將分別選用非金屬支撐桿和金屬支撐桿來(lái)分析不同材質(zhì)的.支撐桿對(duì)天線測(cè)試的影響，為了方便測(cè)試，金屬支撐桿采用在非金屬支撐桿表面包覆金屬膜進(jìn)行模擬，如圖4所示：
(a)非金屬支撐桿 (b)金屬支撐桿
3.2 實(shí)測(cè)驗(yàn)證
采用兩面天線進(jìn)行測(cè)試，分別為820―960MHz 55°9.5dBi天線和1710―2690MHz65°16.5dBi天線，測(cè)試在室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)中進(jìn)行，測(cè)試距離為38m，抱桿直徑為110mm，測(cè)試結(jié)果分別如表4和表5所示：
表4和表5中的測(cè)試數(shù)據(jù)表明：
(1)對(duì)于低增益天線(增益值小于10dBi，如室分天線、喇叭天線等，測(cè)試時(shí)天線置于支撐桿的頂部)，金屬桿對(duì)測(cè)試影響較大，尤其是前后比和交叉極化鑒別率，因此建議采用非金屬桿進(jìn)行測(cè)試;
(2)對(duì)于高增益天線(增益值大于16dBi，如基站板狀天線，測(cè)試時(shí)天線抱于支撐桿上)，金屬桿對(duì)測(cè)試基本沒(méi)影響，同時(shí)鑒于金屬桿的諸多優(yōu)勢(shì)，建議采用金屬桿進(jìn)行測(cè)試。
四、結(jié)論
本文采用理論分析與實(shí)測(cè)相結(jié)合，分析了天線相位中心偏離轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸中心以及支撐桿材質(zhì)對(duì)天線測(cè)試的影響。通過(guò)分析表明：天線相位中心偏離轉(zhuǎn)軸中心時(shí)，將導(dǎo)致波寬偏窄;金屬桿對(duì)低增益天線(增益小于10dBi)的影響較大，而對(duì)高增益天線(增益大于16dBi)幾乎沒(méi)有影響，該分析為測(cè)試過(guò)程中正確架設(shè)天線、選取合適的支撐桿提供了參考。
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