淺談TD-SCDMA智能天線基本原理和測試方法

1  引言

作為第三代移動通信系統(tǒng)標準之一的TD-SCDMA，采用了兩項最為關(guān)鍵的技術(shù)，即智能天線技術(shù)和聯(lián)合檢測技術(shù)。其中智能天線對于系統(tǒng)的作用主要包括：

（1）通過多個天線通道功率的最大比合并以及陣列信號處理，明顯提高了接收靈敏度；

（2）波束賦形算法使得基站針對不同用戶的接收和發(fā)射很高的指向性，因此用戶間的干擾在空間上能夠得到很好的隔離；

（3）波束賦形對用戶間干擾的空間隔離，明顯增加了CDMA的容量，結(jié)合聯(lián)合檢測技術(shù)，使得TD-SCDMA能夠?qū)崿F(xiàn)滿碼道配置；

（4）通過波束賦形算法能夠?qū)崿F(xiàn)廣播波束寬度的靈活調(diào)整，這使得TD-SCDMA在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中小區(qū)廣播覆蓋范圍的調(diào)整可以通過軟件算法實現(xiàn)（常規(guī)基站天線的廣播波束是固定不可變的，若想調(diào)整覆蓋范圍必須要更換天線），從而明顯提高了網(wǎng)優(yōu)效率；

（5）通過對天線陣進行波束賦形使得下行信號能夠?qū)室粋€（或若干個不同位置的用戶）用戶，這等效于提高了發(fā)射機的有效發(fā)射功率（EIRP）。

CDMA系統(tǒng)中采用了大功率線性功放，價格比較昂貴；采用智能天線技術(shù)的TD系統(tǒng)可以采用多個小功率功放，從而降低了制造成本。

2  基本工作機理

根據(jù)波束成形的實現(xiàn)方式以及目前的應(yīng)用情況，智能天線通?？煞譃槎嗖ㄊ悄芴炀€和自適應(yīng)智能天線。

多波束智能天線采用準動態(tài)預(yù)多波束的波束切換方式，利用多個不同固定指向的波束覆蓋整個小區(qū)，隨著用戶在小區(qū)中的移動，基站選擇其中最合適的波束，從而增強接收信號的強度。多波束智能天線的優(yōu)點是復(fù)雜度低、可靠性高，但缺點是它受天線波束寬度等參數(shù)影響較大，性能差于自適應(yīng)智能天線。

自適應(yīng)智能天線采用全自適應(yīng)陣列自動跟蹤方式，通過不同自適應(yīng)調(diào)整各個天線單元的加權(quán)值，達到形成若干自適應(yīng)波束，同時跟蹤若干個用戶，從而能夠?qū)Ξ斍暗膫鞑キh(huán)境進行最大程度上的匹配。自適應(yīng)智能天線在理論上性能可以達到最優(yōu)，但是其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜度均明顯高于多波束智能天線。

TD-SCDMA系統(tǒng)采用的是自適應(yīng)智能天線陣，天線陣列單元的設(shè)計、下行波束賦形算法和上行DOA預(yù)估是智能天線的核心技術(shù)。

智能天線陣的實現(xiàn)原理類型于相控陣天線。下面我們以一維線陣相控陣天線為例。

首先，作為最基本的一維波束掃描相控陣天線是一個等間距排列的直線陣列（見圖1），其中陣列的每個輻射單元的激勵相位可以變化，即當相鄰輻射單元的激勵相位呈特定的等差級數(shù)變化時，陣列方向圖是通過對每一列天線單元的幅度相位激勵進行調(diào)整實現(xiàn)波束掃描的。

圖1  一維線陣天線波束掃描原理

當波束的最大指向偏離法線方向為θ0時，則各個天線端口的激勵波程差為： ФN =（N-1）2πd sinθ0 /λ

其中：d為相鄰單元的間距，λ為天線工作頻率的波長

智能（自適應(yīng)）天線系統(tǒng)以陣列天線和自適應(yīng)信號處理算法為基礎(chǔ)，能夠從多個多路徑信號和干擾信號中把有用信號區(qū)分出來，自動地把主瓣最大值鎖定在有用的移動來波信號方向上，并自動減小干擾方向的付瓣電平。智能天線所具有的這種精確跟蹤能力和干擾抑制能力可以使在同一個小區(qū)內(nèi)的幾個用戶使用相同的信道。

智能天線系統(tǒng)的工作機理概念可以用圖2 和圖3 予以描述。在圖2中，N個天線輻射單元接收到信號經(jīng)過射頻放大后，在基帶的數(shù)字波束成形（DBF）網(wǎng)絡(luò)中采用Wi的復(fù)權(quán)系數(shù)加權(quán)并進行疊加合成，然后進入接收機，其中DSP智能算法處理器根據(jù)N個天線輻射單元來波的幅度/相位關(guān)系預(yù)測出有用信號的方向。疊加合成得到最大的接收信號。在圖3中，DSP根據(jù)上述預(yù)測的有用信號方向以及預(yù)測的干擾信號方向，可以自適應(yīng)產(chǎn)生合適的Wi復(fù)權(quán)系數(shù)，并激勵各個天線單元的輻射，從而將主瓣板對準有用信號，將零點對消。

圖2  智能天線上行接收原理

圖3  智能天線下行接收原理

一種典型的智能天線陣如圖4所示。它共有9個端口，中間的端口為校準口，其余的8個端口為天線端口。校準口的作用是用于校正智能天線陣在實際應(yīng)用環(huán)境下的各接收（發(fā)射）通道到各列天線口面的相位差，其它八個端口分別連接到基站的收/發(fā)信機通道。

圖4  典型的定向智能天線陣

3  主要測試參數(shù)和典型測試方法

由于智能天線測試比普通天線要復(fù)雜得多，對智能天線的測試也比較復(fù)雜。以圖4給出的智能天線陣為例，我們可以將該天線的測量分為2類：電路參數(shù)測量和輻射參數(shù)測量。

電路參數(shù)包括：各端口輸入阻抗、相鄰天線單元端口隔離度、各天線端口有源反射系數(shù)、校準口到各天線單元的幅度相位一致性。

輻射參數(shù)測試包括：各天線單元的方向圖和增益、典型業(yè)務(wù)波束的方向圖和增益；廣播波束的方向圖和增益。

由于電路參數(shù)指標為智能天線出廠必測指標，下面我們重點探討一下智能天線的電路參數(shù)測試項目和測試方法。一個8單元單極化智能天線陣的電路參數(shù)測試包括：

（1）相鄰端口的隔離度，即S12、 S23、 S34、 S45 、 … S78 的特性(不包括校準口)；

（2）校準口到各天線單元的幅相一致性，即S01、 S02、… 、S07 、S08 的幅度相位特性（Mag|S01|、| Mag|S02| 、Mag|S03| 、Mag|S04|、 Mag|S05|、Mag|S06|、Mag|S07| 、Mag|S08|；Pha|S01| 、Pha|S02|、 Pha|S03|、 Pha|S04|、 Pha|S05|、 Pha|S06|、Pha|S07 |、Pha|S08|）；

（3）各天線端口的無源反射系數(shù)（或無源回波損耗），即S00、S11、S22、… 、S33 、 S88 的特性；

（4）各天線端口的有源反射系數(shù)（或有源回波損耗），考慮單元之間的互耦和各單元的幅相激勵問題。

根據(jù)下面的S參數(shù)激勵矩陣模型

                （2.1）

可以推出各端口的有源反射系數(shù)為

         （ 2.2）

進行波束掃描的時候，對源進行相位加權(quán)。測試的典型值給出一組：

            （2.3）

一般的天線測試可以使用2端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。而智能天線有8個天線端口和一個校準端口，且其測試項目和測試復(fù)雜度比普通天線要高很多，因此一般的2端口或4端口矢網(wǎng)很難滿足其測試要求。但是為了確保智能天線的性能，上面提到的測試項往往是天線研發(fā)和生產(chǎn)時必測的項目，因此我們需要尋求一種快速、全面的測量解決方案。

羅德與施瓦茨(R&S)的 ZVT 是業(yè)界唯一的8端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。它內(nèi)置4個獨立的源，16個獨立接收通道，有著極快的測量速度，因此是針對智能天線和相控陣天線測試的最佳選擇（見圖5）。它可以一次完成一個S88全矩陣測試，這對2端口和4端口矢網(wǎng)是不可能實現(xiàn)的。

圖5  用R&S的8端口矢網(wǎng)ZVT測試智能天線
 
                         （2.4）

針對第1、2項測試，R&S ZVT可一次性完成。[!--empirenews.page--]

針對第3項測試（共需要9個端口），R&S ZVT只需要兩步就可完成（如圖6和圖7所示），同時結(jié)合Trace Math（軌跡計算，對多個軌跡進行任意的計算，以擴展測量功能）功能，可以實時的計算并顯示各通道幅度/相位一致性（如圖8所示）。

圖6  R&S ZVT 針對智能天線幅度相位一致性的測試（第1步）

圖7  R&S ZVT 針對智能天線幅度相位一致性的測試（第2步）

圖8  典型的幅度一致性測試結(jié)果（校準口到各天線端口）

針對第4項測試，借助結(jié)合R&S ZVT的強大的Trace Math功能，可以將公式（2.3）中的θ編入ZVT的公式編輯器中，結(jié)合R&S ZVT測量的全矩陣（2.4），可以實時地顯示各端口的有源反射系數(shù)，典型的測量結(jié)果如圖9，圖10所示：

圖9  智能天線端口1的有源反射系數(shù)（k*d*sinθ=π/3條件下）

其中：k=2*π/λ,d=相鄰天線單元的間隔（此兩項為常量）；

θ為智能天線合成波束的掃描角（此項為變量）

圖10  智能天線端口1的有源反射系數(shù)（k*d*sinθ=π/5條件下）

其中：k=2*π/λ,d=相鄰天線單元的間隔（此兩項為常量）；θ為智能天線合成波束的掃描角（此項為變量）。

由圖9，圖10可知，利用ZVT的8端口和強大的Trace Math功能，可以實時的顯示任意掃描角下的各端口有源反射系數(shù)，為智能天線系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)測試提供了極大的便利。

4  結(jié)束語

智能天線比普通天線復(fù)雜得多，對智能天線系統(tǒng)的性能評估也比較復(fù)雜。在研發(fā)和生產(chǎn)階段必須對智能天線進行全面測試，這樣才能對其性能進行全面的考核，將智能天線的優(yōu)勢發(fā)揮出來。使用一般的2端口或4端口矢網(wǎng)很難全面、快速地測試智能天線。而R&S的 ZVT 獨具8個端口，并有強大的Trace Math功能，因此能滿足智能天線的測試需求，能幫助天線廠家對其智能天線進行快速、全面的測試。

附：相關(guān)名詞解釋

極化：是指電場在空間的運動軌跡。當電場的運動軌跡為一條直線，稱為線極化；當運動軌跡為一個圓（或橢圓）時，稱為圓（或橢圓）極化。線極化又分為垂直極化（即極化方向與地面垂直）和水平極化；圓極化又分為左旋圓極化和右旋圓極化（采用右手法則）。

天線增益：是指天線在空間某點的輻射功率相對于理想的點源（無方向性天線，實際上不存在）在該點的輻射功率之比。

有源反射系數(shù)：對一個多口天線（或微波器件）而言，其他若干個相關(guān)端口有激勵的條件下某個端口的反射系數(shù)。