移动通信系统室内分布天线测试方法的研究

张申科+邓遥林

【摘 要】为了解决室内分布天线现有测试法存在的准确性差、重复性差以及测试效率低的问题，提出了两种方案，为科学合理地进行室内分布天线测试提供了数据依据。首先提出了一种新的远场测量法，并对该方法的有效性进行了验证，结果表明新方法不仅测试准确度和测试效率高，而且灵活度高；然后提出了一种新的测试工装，通过实测结果表明，新工装具有对测量影响小、重复性好、使用方便等优点，该工装既可应用于近场测试中，也可应用于远场测试中。

【关键词】室内分布天线 近场测量法 远场测量法 测试工装

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.007 中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）24-0030-05

1 引言

室内分布天线是一种特殊的天线，具有体积小、方向性弱、外形特殊等特点。随着4G时代的到来，室内分布天线得到了大规模应用，其性能也引发了越来越多的关注。室内分布天线一般采用远场法或近场法进行辐射参数的测试，然而现有的测试方法均存在一些不足，比如：远场测量法存在测试准确性差、测试效率低等问题；近场测量法存在测试工装不统一，导致场地差异较大，这给客观评价天线的性能带来一定的困难，因此需对测试工装进行设计。本文为科学合理地进行室分天线测试，客观评价室分天线的性能提供了数据依据。

2 天线测量概述

2.1 天线场区划分

根据离开天线距离的不同，天线周围的场区分为感应区、辐射近场区和辐射远场区。天线辐射特性所包括各参数的测量均需在辐射远场区内进行。

2.2 测量方法分类

天线辐射参数的测量方法包括远场测量法和近场测量法，具体如下：

（1）远场测量法

远场测量法又称为直接测量法，即将辅助天线（通常作为发射天线）置于被测天线的远场区，通过旋转被测天线，记录下被测天线各个角度下的接收电平，得到远场方向图数据。

（2）近场测量法

近场测量法又称为间接测量法，是指先测得天线的近场数据，然后通过近场到远场的变换（傅里叶变换），最后得到天线的远场数据（即辐射方向图）。

近場测量可分为平面近场测量、柱面近场测量和球面近场测量。其中，球面近场测量应用最为广泛。其测量原理是：待测天线置于转台上作为发射天线，在包围待测天线的圆环上均匀布置多个探头（作为接收天线），用于接收各个方向上的电磁波，探头位于待测天线的近场区，被测天线在水平面内旋转180°，即可获得待测天线的球面的近场数据，再通过变换将球面近场数据转换成立体的远场数据。

3 天线测量方法探讨

3.1 远场测量法

（1）存在的问题

由于全向吸顶天线高频段的最大辐射方向与天线法向夹角约为60°，因此测量水平面方向图时转台需前倾30°，如图1所示。这将导致收发天线不等高，实际截面与目标截面不一致，从而影响测量结果的准确性。

（2）改进方案

针对现有测试方法存在的问题，提出了一种改进方案。该方案的基本思路是引入一个电机，由电机带动天线绕电机轴做自转运动，如图2所示：

具体测试方法如下：

◆测量垂直面方向图；

◆转台方位旋转，使得吸顶天线的法向与辅助天线的法向成60°（高频）夹角；

◆电机驱动天线自转360°即可获得水平面方向图。

该方案的优点如下：

◆精确对准：收发天线高度一致；

◆效率高：一次夹装即可完成所有切面的测试；

◆灵活性好：可完成任意切面方向图的测量。

（3）实测验证

以全向吸顶天线为例，从测试准确度、测试效率和灵活度方面来验证新测试方法的有效性。

◆测试准确度

为了验证新远场法的有效性，将传统远场法和新远场法的测试数据与近场法进行对比，具体如表1和图3所示。

由表1和图3可知，传统远场法与近场法测试结果偏离较大，而新远场法与近场法测试结果相吻合，因此新远场法可以提高测试准确度。

◆测试效率

以测试普通吸顶天线（1个垂直面和2个水平面）为例，分析两种测试法的测试效率。

传统远场法：首先测量垂直面方向图；然后将转台放倒，天线切换到水平面；最后测量2个水平面方向图。

新远场法：首先测量垂直面方向图；然后转台旋转一定的角度（如低频90°、高频60°）；最后测量2个水平面方向图。

由表2可知，对于测试平面较少的普通吸顶天线，新远场法的效率较传统远场法提高了42%；对于新型吸顶天线，需要测试多个垂直面，若采用传统远场法，转台需多次放倒、升起以及手动旋转天线，而新远场法采用电机进行操作，因此测试效率提升显著。

◆灵活度

由上述分析可知，传统远场法需要进行天线放倒、切换测试面等手动操作，自动化程度不高，且受转台系统的功能限制，下倾角度不能过大，因此可测量水平面有限；而采用新远场法，天线只需一次夹装，通过控制转台及电机即可完成任意面的测试，大大提高了测试灵活度。

3.2 近场测量法

（1）存在的问题

由于室内分布天线体积小、方向性弱，对支架的影响较为敏感，因此通常选用泡沫支架进行测试，并采用胶带固定。但泡沫支架存在以下缺点：

◆准确性和重复性差：对于外形不规则的天线（如对数周期天线、美化天线），该固定方法会引入安装误差，导致准确性和重复性差；

◆测试效率低：由于室分天线的外形不规则（如美化型室分天线），导致固定天线耗时较多；

◆使用寿命短：强度不够且易磨损。

因此，测试室内分布天线时应采用一种新型工装，该工装具有对测试影响小、结构牢固、使用方便等优点。

（2）工装设计

◆数值仿真

采用数值方法分析了工装材质εr和尺寸Φ对测试的影响，由于全向吸顶天线对工装的影响较为敏感，因此分析时可选用全向吸顶天线，分析结果如图4所示（频率为1.7 GHz）。

由图4可知，工装尺寸较小时，材质的影响较小；工装材质的介电常数较小时，尺寸的影响较小。

◆工装结构设计

根据仿真结果，并考虑到使用的方便性，对测试工装进行了设计。该工装由支撑抱杆、转接件和天线安装界面组成，如图5所示：

各种室分天线的测试工装如图6所示。工装材质及尺寸分别为：抱杆材质为PVC（εr为3～4），口径为Φ=110mm，转接件和安装界面材质均为尼龙（εr为4～5），口径为Φ=400mm。

◆实测结果

测试包括准确性对比测试和重复性对比测试，具体如下：

准确性对比测试是为了检验塑料工装引入的测试误差，主要通过对比其与泡沫工装的测试偏差，从而得到其对测试的影响，表3至表4给出了全向吸顶天线的测试对比数据。

重复性对比测试是为了检验工装的重复稳定性，由于对数周期天线的外形不规则，安装时天线姿态的一致性差，因此测试时选用对数周期天线，测试数据具体如表5至表6所示。

由表3至表6可知，塑料工装的增益误差小于0.13 dB，波宽误差小于3%，在误差允许范围内；对于外形不规则的天线（如对数周期天线、美化天线），塑料工装的测试重复性优于泡沫工装。

小结

由于室分天线的方向性较弱，对工装的影响敏感，为了客观真实地评价室分天线的性能，需对测试工装进行统一。而本文设计的塑料工装具有对测试影响小、重復性好等优点，同时测试过程中若需更换不同类型的天线，仅需更换上面的安装界面，操作方便。此外，该工装既可用于近场测试中，还可用于远场测试中，因此是室分天线测试工装的最佳选择。

4 结论

本文分析了室分天线测试过程中存在的问题，并提出了解决方案。首先对现有远场测量法进行了改进，改进后的方法测量准确度高、测试效率高、灵活性好；然后就近场测试中测试工装存在的不足，通过数值仿真分析了工装材质及尺寸对测试的影响，再对工装进行了设计、加工和实测。实测结果表明：该工装具有对测试影响小、重复性好、使用方便等优点，既可应用于近场测试中，也可应用于远场测试中。

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