一、引言

天線方向圖遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法是最經(jīng)典的測(cè)試方法，測(cè)試方法直觀，場(chǎng)地的性能可檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的性能可推算方向圖測(cè)試的精度。比較理想的測(cè)試場(chǎng)應(yīng)該是室內(nèi)的，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，性能是有保證的。但室內(nèi)場(chǎng)的成本很高，一個(gè)單位不可能大量建設(shè)。甚至有的天線，根本就不可能建設(shè)滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)。這時(shí)，建設(shè)室外遠(yuǎn)場(chǎng)就成了唯一的選擇。

室外遠(yuǎn)場(chǎng)雖然受天氣影響，但建設(shè)成本低，選擇的余地很多，滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件也較容易找到。只要處理得法，仍然是一個(gè)比較實(shí)用的測(cè)試方案。

室外場(chǎng)除了不能全天候測(cè)試以外，如何找到一個(gè)只有直射波，沒(méi)有反射波的環(huán)境至關(guān)重要。事實(shí)上，找到?jīng)]有反射波的環(huán)境是不現(xiàn)實(shí)的，找到反射盡量小的環(huán)境是有可能的。隨著測(cè)試儀器的進(jìn)步，結(jié)合數(shù)學(xué)理論，用數(shù)字信號(hào)處理的方法濾除環(huán)境反射是一個(gè)成本低，效果好的方法。使用這個(gè)方法，大大簡(jiǎn)化了室外場(chǎng)對(duì)環(huán)境的選擇要求。

二、時(shí)域門(mén)消除反射信號(hào)的原理

根據(jù)傅里葉變換理論，信號(hào)在時(shí)間域的響應(yīng)可以變換到頻率域的響應(yīng)，或者反過(guò)來(lái)，在頻率域的響應(yīng)可以變換到時(shí)間域。在一個(gè)域難以處理的信號(hào)，變換到另外一個(gè)域之后，可能處理起來(lái)就很容易。

天線方向圖室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)的典型場(chǎng)地如圖1所示。

圖1. 室外測(cè)試場(chǎng)

選擇在兩棟建筑之間建立測(cè)試場(chǎng)是一個(gè)典型的做法。例如，在A棟樓頂放置一個(gè)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，在B棟樓樓頂放置發(fā)射天線，兩棟樓之間的距離滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。利用樓高形成“深溝”減小地面反射的影響。

既然是選擇已有的建筑，就免不了有多余的建筑（對(duì)測(cè)試環(huán)境有破壞作用的建筑）。例如在附近有另外一棟建筑，這個(gè)建筑會(huì)反射信號(hào)。其中，反射到被測(cè)天線的那部分信號(hào)就構(gòu)成的對(duì)測(cè)試環(huán)境的干擾，影響測(cè)試精度。

大部分我們所使用的天線都有一定的帶寬。移動(dòng)通信所使用的天線通常是寬帶的。尤其是隨著移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷往前推進(jìn)，對(duì)天線的帶寬要求越來(lái)越寬。例如，目前4G移動(dòng)通信天線要求的頻帶為1710MHz~2700MHz，其相對(duì)帶寬達(dá)46%。較寬的帶寬為使用數(shù)學(xué)方法消除反射提供了較好條件。

天線帶寬再寬，實(shí)用的天線不可能是從0到無(wú)窮的全頻譜。為了在有限的帶寬內(nèi)取得較好效果，通常采用Chirp-Z變換。為了敘述方便，下面籠統(tǒng)稱(chēng)為傅里葉變換。

利用傅里葉變換消除環(huán)境影響的原理如圖2所示

圖2

天線某方向的輻射強(qiáng)度通過(guò)矢量接收機(jī)（通常為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）測(cè)量。數(shù)據(jù)為天線整個(gè)頻段范圍內(nèi)的各頻率點(diǎn)的矢量強(qiáng)度，即頻率域的信號(hào)。此數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反傅里葉變換，變換到時(shí)間域。在時(shí)間域，不同的時(shí)間點(diǎn)反映的是從發(fā)射天線經(jīng)不同路徑到達(dá)被測(cè)天線的信號(hào)強(qiáng)度。很顯然，從發(fā)射天線直接到達(dá)被測(cè)天線的路徑最短，所以最先到達(dá)。當(dāng)被測(cè)天線的主波束對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線，且極化相同時(shí)，這一到達(dá)信號(hào)幅度最大。如圖2“直射波”所示。其它各反射信號(hào)，因?yàn)樗?jīng)歷的路徑比直射波長(zhǎng)，花費(fèi)了更多時(shí)間，所以到達(dá)時(shí)間晚于直射波。一般來(lái)說(shuō)，反射信號(hào)因?yàn)榉瓷潴w的材料，形狀以及空間衰減等因素的影響，其強(qiáng)度要顯著低于上述的直射波。如圖2“反射波”所示。從時(shí)域圖上可以看到，在時(shí)間軸上，很明顯看到直射波和反射波分布在不同區(qū)域，也就是明顯被分開(kāi)了。而頻域響應(yīng)是多徑信號(hào)共同作用的結(jié)果，無(wú)法區(qū)分。

為了濾除反射波，在直射波部分加一個(gè)“門(mén)”，只讓直射信號(hào)通過(guò)，反射信號(hào)被阻擋在“門(mén)”外。在數(shù)學(xué)上，時(shí)間域信號(hào)乘以一個(gè)“門(mén)”函數(shù)就達(dá)到了這個(gè)目的。經(jīng)這樣處理后的時(shí)域信號(hào)再變換回頻域。此時(shí)，頻率域的響應(yīng)信號(hào)僅剩下直射波的響應(yīng)信號(hào)，反射波信號(hào)被濾除掉了。這就是時(shí)域“門(mén)”消除反射信號(hào)的原理。

三、時(shí)域“門(mén)”應(yīng)用要考慮的因素

3.1 帶寬

如果是一個(gè)無(wú)限帶寬的信號(hào)，從頻率域變換到時(shí)間域，其時(shí)間的分辨率是無(wú)限精細(xì)的。但實(shí)際的天線不可能是無(wú)限帶寬的，總是工作在某個(gè)有限的頻帶范圍之內(nèi)。一個(gè)有限的頻帶等效一個(gè)“門(mén)”函數(shù)乘以一個(gè)無(wú)限頻域的信號(hào)響應(yīng)。門(mén)函數(shù)變換到時(shí)間域，不再具有無(wú)限精細(xì)的時(shí)間分辨率，而是一個(gè)“模糊”的區(qū)域。如圖3所示。如果把門(mén)函數(shù)的時(shí)域響應(yīng)的主瓣作為時(shí)域分辨率的話，其時(shí)域分辨率的與帶寬的關(guān)系為：

Δt=1/(fstop-fstart)=f/fspan

圖3

計(jì)算示例：

以移動(dòng)通信所使用的頻段為例

表1

fstart(MHz)fstop(MHz)Δt=1/(fstop-fstart)Δd=c*Δt

1171021702.17ns0.65m

2171027001.01ns0.3m

從表一可知，帶寬越寬，距離分辨越高。

3.2 測(cè)試距離與頻率點(diǎn)數(shù)

數(shù)字測(cè)量?jī)x器不能連續(xù)測(cè)量信號(hào)，而是把一個(gè)頻段劃分若干個(gè)頻率點(diǎn)，然后測(cè)量這些點(diǎn)頻的信號(hào)。在數(shù)學(xué)上，這等效一個(gè)沖擊信號(hào)系列與連續(xù)頻率響應(yīng)信號(hào)相乘。頻域的兩個(gè)信號(hào)相乘，等效于各自信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)在時(shí)域的卷積。沖擊信號(hào)變換到時(shí)域仍然是沖擊信號(hào)，與天線的頻域測(cè)量信號(hào)變換到時(shí)域的信號(hào)卷積后，造成一個(gè)周期性響應(yīng)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的周期反映了所能觀察到的最大傳播距離。超過(guò)這個(gè)距離的信號(hào)被掩蓋掉了。如圖4所示

圖4

頻域的采用頻率與時(shí)域的重復(fù)周期的關(guān)系為：

Δf=1/T

Δf=(fstop-fstart)/N

N-頻率點(diǎn)數(shù)

式中T是能夠清楚分辨的最小時(shí)間窗口。信號(hào)從測(cè)試設(shè)備的信號(hào)源經(jīng)電纜到發(fā)射天線、發(fā)射天線到被測(cè)天線之間的直線傳播、被測(cè)天線、接收電纜、一直到接收機(jī)。整個(gè)鏈路信號(hào)傳播所花的時(shí)間必須要小于這個(gè)參數(shù)。頻帶寬度由天線本身的特性所決定。根據(jù)頻帶寬度，測(cè)試場(chǎng)地和設(shè)備（決定了傳播時(shí)間），就能推算出最少的頻率點(diǎn)數(shù)。

頻率點(diǎn)數(shù)與測(cè)量速度是矛盾的。頻率點(diǎn)數(shù)越多，掃描速度越慢。但能“看”到的距離也越遠(yuǎn)。在能“看清”整個(gè)被測(cè)天線的情況下，盡量減少測(cè)量點(diǎn)數(shù)，以提高測(cè)試速度。

計(jì)算舉例

測(cè)試距離：80m

發(fā)射和接收電纜等效長(zhǎng)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，對(duì)于確定的場(chǎng)及測(cè)試系統(tǒng)，所測(cè)試的頻帶越寬，所需要的掃描頻率點(diǎn)越多。

3.3 附加效應(yīng)問(wèn)題

時(shí)域加“門(mén)”后，門(mén)函數(shù)在頻域的響應(yīng)必須與原函數(shù)的頻域響應(yīng)進(jìn)行卷積，結(jié)果就造成頻域響應(yīng)的畸變（響應(yīng)曲線有差異）。正常情況下需要對(duì)畸變進(jìn)行校準(zhǔn)，以恢復(fù)正常響應(yīng)。但在方向圖測(cè)量過(guò)程中，由于只是看各位置的相對(duì)信號(hào)比，可以不必校準(zhǔn)。但要注意，因?yàn)榛兊某潭扰c被測(cè)信號(hào)的頻帶密切相關(guān)，如果需要與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭對(duì)比確定被測(cè)天線增益，則測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭電平的條件必須與被測(cè)天線的相同。

3.4 “門(mén)”的寬度問(wèn)題

時(shí)域門(mén)的寬度選擇要遵循的原則是既不能太窄，也不能太寬。太窄過(guò)濾掉了本應(yīng)被被測(cè)天線接收的那部分信號(hào)，造成測(cè)量失準(zhǔn)；太寬有可能放進(jìn)來(lái)反射信號(hào)。如圖5所示

圖5

為了保證第一點(diǎn)，門(mén)的寬度應(yīng)該是天線長(zhǎng)度,兩端再各加一個(gè)天線距離的分辨率。即：

T≥(L+2*dδ)/C

L：天線長(zhǎng)度

dδ：距離分辨率=C/fspan

確定T后。要保證d1+d2-D>L/2+dδ。對(duì)于d1+d2-D<L/2+ dδ區(qū)域的信號(hào)（即反射信號(hào)落在時(shí)間門(mén)里面），要通過(guò)其它方法消除掉。因?yàn)榇瞬糠中盘?hào)不能被時(shí)域門(mén)濾掉。

3.5 確定直射波

應(yīng)用時(shí)域門(mén)時(shí)，必須要將時(shí)域門(mén)的中心設(shè)置到直射波到測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心，保證在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，天線長(zhǎng)度加上距離分辨率不超出門(mén)之外。3.2節(jié)敘述了直射波的大致確定方法。對(duì)一個(gè)確定場(chǎng)來(lái)說(shuō)，此參數(shù)只需要確定一次。如果精確知道測(cè)試距離，信號(hào)傳輸電纜長(zhǎng)度及介質(zhì)特性，直射波傳輸時(shí)間可以精確計(jì)算。但有時(shí)確定這些并不容易。甚至，當(dāng)更換一根測(cè)試電纜時(shí)，如果新電纜的長(zhǎng)度或介質(zhì)特性與原來(lái)的不一致，此參數(shù)必須重新計(jì)算。這在工程上很容易忽略或出錯(cuò)。一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)時(shí)域自動(dòng)確定此參數(shù)。

當(dāng)被測(cè)天線的主波束大致與發(fā)射天線相對(duì)且極化相同時(shí)，在時(shí)域，直射波電平必然最高。利用此特性，可以用如下方案自動(dòng)確定直射波：

被測(cè)天線大致對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線，極化轉(zhuǎn)到一致。

VNA（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）設(shè)置足夠多掃描點(diǎn)，并變換到時(shí)域。

打開(kāi)VNA的Marker，用Marker找到最高值。

將時(shí)域門(mén)的中心設(shè)置到最高值處。

注意第一條件很重要，否則有可能找到的不是直射波。

三、方案實(shí)施

方案的硬件部分與普通的遠(yuǎn)場(chǎng)方案完全相同，不同的是軟件部分。包括測(cè)量控制軟件和傅里葉變換軟件。測(cè)量控制軟件要自動(dòng)完成上述掃描頻率點(diǎn)數(shù)的計(jì)算及設(shè)置，時(shí)間門(mén)的寬度，時(shí)間門(mén)的中心的設(shè)置，門(mén)函數(shù)形式的選擇等。

傅里葉變換軟件有兩種方式，一種是VNA內(nèi)置的，一種是自行編制。頭一種方法比較便捷，缺點(diǎn)是需要額外購(gòu)買(mǎi)許可證，增加成本。后一種方法需要將掃描的所有頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)，由控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。這種方法不需要VNA具有時(shí)域能力，但傳輸和處理大量數(shù)據(jù)，有可能減慢測(cè)試速度。如果有條件使用前一種似乎是更好的選擇。

四、效果對(duì)比

摩比天線技術(shù)（深圳）有限公司某室外測(cè)試如圖6照片所示

圖6

由圖片可以看出在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)后方一側(cè)有一突出的建筑屋，這個(gè)建筑屋會(huì)有散射信號(hào)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。發(fā)射天線在照相者的后方。其位置關(guān)系大約如圖7所示。

圖7

在此場(chǎng)地對(duì)Satimo公司隨設(shè)備提供的金樣機(jī)（8單元線陣天線，頻率：1710~2170MHz）進(jìn)行了測(cè)試。圖8 分別是時(shí)域門(mén)打開(kāi)（綠色）和關(guān)閉（藍(lán)色）時(shí)測(cè)試的方向圖，從圖上可以看出，當(dāng)時(shí)域門(mén)關(guān)閉時(shí)，建筑屋所在的位置，呈現(xiàn)明顯的駐波特性（一種有反射信號(hào)干涉的特征），顯示了建筑屋反射對(duì)方向圖測(cè)試的影響。而當(dāng)時(shí)域門(mén)打開(kāi)后，方向圖變得光滑，顯示反射信號(hào)被濾除掉。

圖8

五、建議及總結(jié)

5.1 營(yíng)造較好的測(cè)試條件是根本，數(shù)學(xué)方法是最后的選擇。

由于使用此方法需要一定的條件，比如被測(cè)天線有一定的帶寬等，設(shè)置很多參數(shù)等，做得不對(duì)會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

5.2 注意使用條件。

各項(xiàng)參數(shù)必須正確設(shè)置，例如時(shí)域門(mén)的位置必須準(zhǔn)確確定及設(shè)置，距離與頻率點(diǎn)的關(guān)系，增益比較等。

5.3 如果合理使用，可以取得較好的效果。