TD-SCDMA智能天線技術(shù)要求和測試方法淺析

1、TD-SCDMA智能天線技術(shù)要求和測試方法淺析2008年6月23日 09:16 電信技術(shù) 作 者：賀鵬 李偉1、引言截至2007年底，我國移動通信用戶數(shù)已超過5.4億，投入使用的基站天線超過100萬副，形成了一個超過百億元人民幣的市場。智能天線作為TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用，并將在第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)以至于整個移動通信領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。技術(shù)規(guī)范是產(chǎn)業(yè)化進程的一個關(guān)鍵因素。通信行業(yè)的重要特點是互聯(lián)互通，統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范是保障通信行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。同時，技術(shù)規(guī)范和測試驗證是互相依存的，技術(shù)規(guī)范是測試驗證的依據(jù)，同時技術(shù)規(guī)范的制定要以實際測試數(shù)據(jù)作為主要參考。技術(shù)規(guī)范的生命

2、力要依靠測試驗證的科學性、公正性來保障。信息產(chǎn)業(yè)部于2007年9月29日正式頒布了標準：YD/T1710.1-2007TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)智能天線第1部分：天線。該標準結(jié)合我國TD-SCDMA標準和體制要求，以及目前國內(nèi)各TD-SCDMA系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商對天線指標的要求，并結(jié)合TD-SCDMA智能天線在研發(fā)、生產(chǎn)和試驗網(wǎng)應(yīng)用的實際情況進行編寫。TD-SCDMA智能天線系統(tǒng)由天線智能控制（包括核心自適應(yīng)算法）和天線2部分組成，以實現(xiàn)方向圖的波束成形及跟蹤性能。已頒布的是標準的第一部分，僅適用于系統(tǒng)中的天線部分。下面對該標準的重點進行解毒和說明。2、智能天線分類和工作頻段劃分智能天線可

3、粗略地分為定向智能天線陣和全向智能天線陣。定向智能天線又包括8列單元、6列單元和4列單元的情況，全向陣也包括8列單元和6列單元。這幾種情況都有可能在實際中用到，其指標也有差別。因此，綜合歸納，該標準將天線分成5類：定向智能天線陣（8列單元）、定向智能天線陣（6列單元）、定向智能天線陣（4列單元）、全向智能天線陣（8列單元）和全向智能天線陣（6列單元）。 根據(jù)國家對TD-SCDMA頻率資源的規(guī)定，該標準劃分了18801920MHz、20102025MHz、23002400MHz共3個頻段。目前在TD-SCDMA系統(tǒng)的試驗網(wǎng)中僅采用了20102025 MHz頻段，其余頻段作為備選，故標準中未對23

4、002400 MHz頻段的指標進行定義。3、結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)指標分類智能天線與常規(guī)移動通信基站天線不同，它增加了對天線系統(tǒng)的校準電路和實時校準功能，同時，天線的方向圖輻射特性復(fù)雜?？紤]到這些特殊性和復(fù)雜性，并為了方便歸納、統(tǒng)計和檢測，該標準對所有電氣指標分為結(jié)構(gòu)參數(shù)、校準參數(shù)、電路參數(shù)和性能參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)：描述整個天線的外觀特性且不適合歸納到其他類型的參數(shù)，如陣列形式、極化方式、端口數(shù)目、接頭類型、饋電位置等。校準參數(shù)：描述與校準有關(guān)的電路參數(shù)，如校準通道的耦合度和定向性、各校準通道的幅度/相位偏差、校準端口的輸入電壓駐波比等。電路參數(shù)：描述智能天線陣列的電路參數(shù)，包括各輻射端口的輸入電壓駐波比

5、、有源電壓駐波比、隔離度、天線電下傾角范圍、精度、功率容限等。性能參數(shù)：描述智能天線陣列的有源輸入回波損耗，各種輻射方向圖特性，包括增益、波束寬度、前后比、副瓣電平等，其中智能天線陣列的方向圖按照實際應(yīng)用來分類，又可細分為單元波束、廣播波束和業(yè)務(wù)波束3類。4、校準參數(shù)定義在校準參數(shù)中，校準端口至各輻射端口的耦合度以及校準通道耦合方向性2項參數(shù)由設(shè)設(shè)來保證，實際系統(tǒng)中難以對其進行檢測。之所以要引導(dǎo)和規(guī)定其指標范圍，是由于如果耦合度指標太強，則增加了系統(tǒng)的插入損耗；如果太弱，則抗干擾能力降低，容易引起校準參數(shù)測試的誤差。方向性指標是為保證天線輻射和天線校準，并且彼此之間不會產(chǎn)生嚴重干擾而影響系統(tǒng)性

6、能。校準端口至各輻射端口的幅度/相位最大偏差定義指標既考慮到系統(tǒng)對天線硬件的精度要求，又考慮到天線硬件電路實現(xiàn)的可能性。校準端口電壓駐波比指標的定義也是如此。5、有源回波損耗、單元駐波比及相鄰端口隔離度參數(shù)定義智能天線系統(tǒng)在實際工作狀態(tài)下各列單元饋電幅度和相位是任意可變的，會引起各輻射端口的有源回波損耗的變化。以定向智能天線為例：在60掃描角內(nèi)，由于單元饋電幅度和相位的變化，有源回波損耗應(yīng)該有一個指標予以限制，否則，某些掃描角度上或者某些波束狀態(tài)下嚴重失配的有源回波損耗將造成這些角度的波束掃描盲點，這在雷達自適應(yīng)相控陣天線中已經(jīng)得到證明。根據(jù)智能天線系統(tǒng)的要求并結(jié)合天線設(shè)計的可能性，有源回波損

7、耗指標定在-10dB較為合適。由此，各輻射端口的無源電壓駐波比和端口間的隔離度指標即有了一個相關(guān)的定義，因為這2個指標的大小決定了有源回波損耗的指標，如果其中有一個偏大，另一個必須很小才行。如果2個指標都偏大，有源回波損耗的指標實際上不能通過。根據(jù)其相互關(guān)系，各輻射端口的電壓駐波比定為1.5，相鄰輻射端口之間隔離度定為20dB較為合理。這些指標也是衡量各列單元之間的相關(guān)性以及智能天線自適應(yīng)波束的準確成形的依據(jù)。6、垂直面波束參數(shù)定義根據(jù)第二代基站天線在應(yīng)用過程中的經(jīng)驗，在標準中對全系列天線進行了完整的賦形天線的定義，對上旁瓣抑制和下零點填充進行了規(guī)定，提高了智能天線的性能，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化提供

8、了有力的支持。在第二代天線標準中作為參考值的垂直面波束寬度在該標準中成了強制的指標，定義為6.5。7、單元波束定義單元波束參數(shù)分為水平面半功率波束寬度和單元波束增益，它們在定向天線和全向天線的情況下有所不同。對于定向智能天線，下行的業(yè)務(wù)窄波束和廣播波束的實現(xiàn)都是由多個單元波束合成而來，上行的自適應(yīng)波束也是對多個單元波束進行相關(guān)加權(quán)后形成的。由于定向智能天線典型覆蓋120扇區(qū)，因此，單元波束方向圖的水平面半功率波束寬度應(yīng)該有適當?shù)姆秶拗啤．敳ㄊ鴮挾绕瓡r，其60邊緣的電平下降過多，造成業(yè)務(wù)波束掃描到60邊緣時的增益也下降過多，同樣，綜合的廣播波束在60邊緣也呈現(xiàn)更低的電平；當波束寬度偏寬時，其

9、60邊緣的電平下降過少，單元波束更多能量進入相鄰物理扇區(qū)產(chǎn)生額外干擾，同時單元波束的增益降低引起業(yè)務(wù)波束掃描和廣播波束增益的同步降低。綜合來看，單元波束的水平面半功率寬度應(yīng)在90120之間，擬定為10015，如此可以包含更寬范圍的系統(tǒng)對智能天線的要求。其中15的容差比較大，因為要考慮到物理邊緣單元列的方向圖邊緣效應(yīng)。相應(yīng)地，根據(jù)限定的波束寬度，單元的波束增益也應(yīng)該在一個合理的范圍，并不是越高越好，擬定為14.5dBi。8、廣播波束定義廣播波束參數(shù)在定向天線和全向天線的情況下有所不同：前者分為水平面半功率波束寬度、廣播波束增益、波束在60邊緣的功率電平下降；后者分為廣播波束的平均增益和水平面方向

10、圖的圓度指標。對于定向智能天線，下行的廣播波束主要情況為覆蓋120的角域，其水平面半功率波束寬度在65為宜，而波束在60邊緣的功率電平下降在10dB為宜，這樣既不至于造成覆蓋盲區(qū)，又可以避免對相鄰物理扇區(qū)過多的信號重疊。根據(jù)水平面半功率波束寬度即可以合理地確定其廣播波束增益。此外又增加了30、90和100的廣播波束寬度作為補充。 對于全向智能天線，下行的廣播波束需要覆蓋360的角域，因此希望各列單元等幅等相饋電，以實現(xiàn)全向輻射的廣播波束，根據(jù)系統(tǒng)的要求，其水平面方向圖波束的圓度指標擬定為1dB，由于水平面方向圖1dB的起伏，廣播波束的增益也有起伏，考慮這一因素，擬定廣播波束的平均增益為8.5d

11、Bi。9、業(yè)務(wù)波束定義業(yè)務(wù)波束參數(shù)在定向天線和全向天線的情況下有所不同，前者覆蓋120空域，后者覆蓋360空域。定向天線的業(yè)務(wù)波束在掃描時，隨著掃描角的增大，其增益越來越低，且波束寬度越來越寬，原因在于單元方向圖波束離開陣面法向時的電平自然下降，因此需要限定在-60+60整個波束掃描角范圍內(nèi)的波束增益、波束寬度及副瓣電平。另外，波束掃描的原理來自相控陣天線原理，它適用于陣列尺寸為無限大的情況，對于有限陣列，目前具體為8單元、6單元和4單元，波束實際掃描到60時，增益下降很多，其下降的結(jié)果超出了波束掃描未到60但趨于60時相應(yīng)指向的波束在60的實際增益電平，因此，根據(jù)理論、仿真以及設(shè)計經(jīng)驗，8單

12、元陣列波束實際掃描到55范圍為好，（5560）的增益電平直接從55。波束上讀?。欢?單元陣列波束實際掃描到45范圍為好，（4560）的增益電平直接從45波束上讀取。由此，根據(jù)掃描原理可定出相應(yīng)的指標。全向天線的業(yè)務(wù)波束在掃描時，則主要需要合理地規(guī)定其增益和半功率波束寬度指標。 上述幾點體現(xiàn)出TD-SCDMA智能天線在當前應(yīng)用場景下的技術(shù)特點，隨著TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)和智能天線技術(shù)的發(fā)展，該標準還可能做一些技術(shù)上的修訂，以適應(yīng)應(yīng)用的需求。今后該部分標準的修訂工作應(yīng)該會包括以下幾個方面：由于應(yīng)用上的考慮，暫時沒有23002400MHz頻段的指標定義，在商用逐步深入，技術(shù)日漸成熟的基礎(chǔ)上，增加23002400MHz頻段的指標是必然的；雙極化天線是本標準中沒有涉及到的，業(yè)界對于雙極化的研究并沒有停止過，當研究成果在網(wǎng)絡(luò)得到一定程度上的驗證時，標準也會添加相應(yīng)的內(nèi)容；無論是技術(shù)指標定義還是參數(shù)值方面，小型化天線均有較大的變化，隨著應(yīng)用場景對天線小型化的要求，標準化的工作也將隨之開展?，F(xiàn)在頒布是標準的第一部分天線部分，標準第二部分天線智能控制部分的起草工作正在緊張的準備中。天線智能控制部分是影響智能天線技術(shù)特點發(fā)揮的關(guān)鍵，也是整個標準工作的難點。這部分標準涉及的指標不會太多，主要是