时域门对方向图测量环境改善的研究

2018-05-18 来源:天线系统产业联盟作者:黄建军 我要评论(0) 字号:

一、引言

天线方向图远场测试方法是最经典的测试方法,测试方法直观,场地的性能可检测,根据检测的性能可推算方向图测试的精度。比较理想的测试场应该是室内的,只要设计得当,性能是有保证的。但室内场的成本很高,一个单位不可能大量建设。甚至有的天线,根本就不可能建设满足远场条件的室内测试场。这时,建设室外远场就成了唯一的选择。

室外远场虽然受天气影响,但建设成本低,选择的余地很多,满足远场条件也较容易找到。只要处理得法,仍然是一个比较实用的测试方案。

室外场除了不能全天候测试以外,如何找到一个只有直射波,没有反射波的环境至关重要。事实上,找到没有反射波的环境是不现实的,找到反射尽量小的环境是有可能的。随着测试仪器的进步,结合数学理论,用数字信号处理的方法滤除环境反射是一个成本低,效果好的方法。使用这个方法,大大简化了室外场对环境的选择要求。

二、时域门消除反射信号的原理

根据傅里叶变换理论,信号在时间域的响应可以变换到频率域的响应,或者反过来,在频率域的响应可以变换到时间域。在一个域难以处理的信号,变换到另外一个域之后,可能处理起来就很容易。

天线方向图室外远场测试场的典型场地如图1所示。

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图1. 室外测试场

选择在两栋建筑之间建立测试场是一个典型的做法。例如,在A栋楼顶放置一个测试转台,在B栋楼楼顶放置发射天线,两栋楼之间的距离满足远场条件。利用楼高形成“深沟”减小地面反射的影响。

既然是选择已有的建筑,就免不了有多余的建筑(对测试环境有破坏作用的建筑)。例如在附近有另外一栋建筑,这个建筑会反射信号。其中,反射到被测天线的那部分信号就构成的对测试环境的干扰,影响测试精度。

大部分我们所使用的天线都有一定的带宽。移动通信所使用的天线通常是宽带的。尤其是随着移动通信标准的不断往前推进,对天线的带宽要求越来越宽。例如,目前4G移动通信天线要求的频带为1710MHz~2700MHz,其相对带宽达46%。较宽的带宽为使用数学方法消除反射提供了较好条件。

天线带宽再宽,实用的天线不可能是从0到无穷的全频谱。为了在有限的带宽内取得较好效果,通常采用Chirp-Z变换。为了叙述方便,下面笼统称为傅里叶变换。

利用傅里叶变换消除环境影响的原理如图2所示

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图2

天线某方向的辐射强度通过矢量接收机(通常为矢量网络分析仪)测量。数据为天线整个频段范围内的各频率点的矢量强度,即频率域的信号。此数据经过反傅里叶变换,变换到时间域。在时间域,不同的时间点反映的是从发射天线经不同路径到达被测天线的信号强度。很显然,从发射天线直接到达被测天线的路径最短,所以最先到达。当被测天线的主波束对准发射天线,且极化相同时,这一到达信号幅度最大。如图2“直射波”所示。其它各反射信号,因为所经历的路径比直射波长,花费了更多时间,所以到达时间晚于直射波。一般来说,反射信号因为反射体的材料,形状以及空间衰减等因素的影响,其强度要显著低于上述的直射波。如图2“反射波”所示。从时域图上可以看到,在时间轴上,很明显看到直射波和反射波分布在不同区域,也就是明显被分开了。而频域响应是多径信号共同作用的结果,无法区分。

为了滤除反射波,在直射波部分加一个“门”,只让直射信号通过,反射信号被阻挡在“门”外。在数学上,时间域信号乘以一个“门”函数就达到了这个目的。经这样处理后的时域信号再变换回频域。此时,频率域的响应信号仅剩下直射波的响应信号,反射波信号被滤除掉了。这就是时域“门”消除反射信号的原理。

三、时域“门”应用要考虑的因素

3.1 带宽

如果是一个无限带宽的信号,从频率域变换到时间域,其时间的分辨率是无限精细的。但实际的天线不可能是无限带宽的,总是工作在某个有限的频带范围之内。一个有限的频带等效一个“门”函数乘以一个无限频域的信号响应。门函数变换到时间域,不再具有无限精细的时间分辨率,而是一个“模糊”的区域。如图3所示。如果把门函数的时域响应的主瓣作为时域分辨率的话,其时域分辨率的与带宽的关系为:

Δt=1/(fstop-fstart)=f/fspan

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图3

计算示例:

以移动通信所使用的频段为例

表1

 fstart(MHz)fstop(MHz)Δt=1/(fstop-fstart)Δd=c*Δt
1171021702.17ns0.65m
2171027001.01ns0.3m

从表一可知,带宽越宽,距离分辨越高。

3.2 测试距离与频率点数

数字测量仪器不能连续测量信号,而是把一个频段划分若干个频率点,然后测量这些点频的信号。在数学上,这等效一个冲击信号系列与连续频率响应信号相乘。频域的两个信号相乘,等效于各自信号的时域响应在时域的卷积。冲击信号变换到时域仍然是冲击信号,与天线的频域测量信号变换到时域的信号卷积后,造成一个周期性响应信号。这个信号的周期反映了所能观察到的最大传播距离。超过这个距离的信号被掩盖掉了。如图4所示

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图4

频域的采用频率与时域的重复周期的关系为:

Δf=1/T
Δf=(fstop-fstart)/N
N-频率点数

式中T是能够清楚分辨的最小时间窗口。信号从测试设备的信号源经电缆到发射天线、发射天线到被测天线之间的直线传播、被测天线、接收电缆、一直到接收机。整个链路信号传播所花的时间必须要小于这个参数。频带宽度由天线本身的特性所决定。根据频带宽度,测试场地和设备(决定了传播时间),就能推算出最少的频率点数。

频率点数与测量速度是矛盾的。频率点数越多,扫描速度越慢。但能“看”到的距离也越远。在能“看清”整个被测天线的情况下,尽量减少测量点数,以提高测试速度。

计算举例

测试距离:80m
发射和接收电缆等效长度:160m
T=(80+160)/C=0.8us
Δf=1/T=1.25MHz

表2

 fstart(MHz)fstop(MHz)N≥(fstop-fstart)/ Δf
117102170368
217102700792

由表2可知,对于确定的场及测试系统,所测试的频带越宽,所需要的扫描频率点越多。

3.3 附加效应问题

时域加“门”后,门函数在频域的响应必须与原函数的频域响应进行卷积,结果就造成频域响应的畸变(响应曲线有差异)。正常情况下需要对畸变进行校准,以恢复正常响应。但在方向图测量过程中,由于只是看各位置的相对信号比,可以不必校准。但要注意,因为畸变的程度与被测信号的频带密切相关,如果需要与标准增益喇叭对比确定被测天线增益,则测量标准增益喇叭电平的条件必须与被测天线的相同。

3.4 “门”的宽度问题

时域门的宽度选择要遵循的原则是既不能太窄,也不能太宽。太窄过滤掉了本应被被测天线接收的那部分信号,造成测量失准;太宽有可能放进来反射信号。如图5所示

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图5

为了保证第一点,门的宽度应该是天线长度,两端再各加一个天线距离的分辨率。即:

 T≥(L+2*dδ)/C
L:天线长度
dδ:距离分辨率=C/fspan

确定T后。要保证d1+d2-D>L/2+dδ。对于d1+d2-D<L/2+ dδ区域的信号(即反射信号落在时间门里面),要通过其它方法消除掉。因为此部分信号不能被时域门滤掉。

3.5 确定直射波

应用时域门时,必须要将时域门的中心设置到直射波到测试转台的旋转中心,保证在旋转过程中,天线长度加上距离分辨率不超出门之外。3.2节叙述了直射波的大致确定方法。对一个确定场来说,此参数只需要确定一次。如果精确知道测试距离,信号传输电缆长度及介质特性,直射波传输时间可以精确计算。但有时确定这些并不容易。甚至,当更换一根测试电缆时,如果新电缆的长度或介质特性与原来的不一致,此参数必须重新计算。这在工程上很容易忽略或出错。一个更简单的方法是通过时域自动确定此参数。

当被测天线的主波束大致与发射天线相对且极化相同时,在时域,直射波电平必然最高。利用此特性,可以用如下方案自动确定直射波:

被测天线大致对准发射天线,极化转到一致。

VNA(矢量网络分析仪)设置足够多扫描点,并变换到时域。

打开VNA的Marker,用Marker找到最高值。

将时域门的中心设置到最高值处。

注意第一条件很重要,否则有可能找到的不是直射波。

三、方案实施

方案的硬件部分与普通的远场方案完全相同,不同的是软件部分。包括测量控制软件和傅里叶变换软件。测量控制软件要自动完成上述扫描频率点数的计算及设置,时间门的宽度,时间门的中心的设置,门函数形式的选择等。

傅里叶变换软件有两种方式,一种是VNA内置的,一种是自行编制。头一种方法比较便捷,缺点是需要额外购买许可证,增加成本。后一种方法需要将扫描的所有频率点数据传输到控制计算机,由控制计算机进行计算。这种方法不需要VNA具有时域能力,但传输和处理大量数据,有可能减慢测试速度。如果有条件使用前一种似乎是更好的选择。

四、效果对比

摩比天线技术(深圳)有限公司某室外测试如图6照片所示

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图6

由图片可以看出在测试转台后方一侧有一突出的建筑屋,这个建筑屋会有散射信号对测试结果造成影响。发射天线在照相者的后方。其位置关系大约如图7所示。

时域门对方向图测量环境改善的研究

图7

在此场地对Satimo公司随设备提供的金样机(8单元线阵天线,频率:1710~2170MHz)进行了测试。图8 分别是时域门打开(绿色)和关闭(蓝色)时测试的方向图,从图上可以看出,当时域门关闭时,建筑屋所在的位置,呈现明显的驻波特性(一种有反射信号干涉的特征),显示了建筑屋反射对方向图测试的影响。而当时域门打开后,方向图变得光滑,显示反射信号被滤除掉。

时域门对方向图测量环境改善的研究

图8

五、建议及总结

5.1 营造较好的测试条件是根本,数学方法是最后的选择。

由于使用此方法需要一定的条件,比如被测天线有一定的带宽等,设置很多参数等,做得不对会得到错误的结果。

5.2 注意使用条件。

各项参数必须正确设置,例如时域门的位置必须准确确定及设置,距离与频率点的关系,增益比较等。

5.3 如果合理使用,可以取得较好的效果。

参考资料

【1】吴大正,信号与线性系统分析
【2】韩晓东,黄珍元,郑利颖。基于chrip-z逆变换矢量网络分析仪时域测量技术,电子测量技术,2003年,第三期
【3】R&S®ZVA/ R&S®ZVB/ R&S®ZVT,Vector Network Analyzers Operating Manual
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