一、引言

天線方向圖遠(yuǎn)場測試方法是最經(jīng)典的測試方法，測試方法直觀，場地的性能可檢測，根據(jù)檢測的性能可推算方向圖測試的精度。比較理想的測試場應(yīng)該是室內(nèi)的，只要設(shè)計得當(dāng)，性能是有保證的。但室內(nèi)場的成本很高，一個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)滿足遠(yuǎn)場條件的室內(nèi)測試場。這時，建設(shè)室外遠(yuǎn)場就成了唯一的選擇。

室外遠(yuǎn)場雖然受天氣影響，但建設(shè)成本低，選擇的余地很多，滿足遠(yuǎn)場條件也較容易找到。只要處理得法，仍然是一個比較實用的測試方案。

室外場除了不能全天候測試以外，如何找到一個只有直射波，沒有反射波的環(huán)境至關(guān)重要。事實上，找到?jīng)]有反射波的環(huán)境是不現(xiàn)實的，找到反射盡量小的環(huán)境是有可能的。隨著測試儀器的進(jìn)步，結(jié)合數(shù)學(xué)理論，用數(shù)字信號處理的方法濾除環(huán)境反射是一個成本低，效果好的方法。使用這個方法，大大簡化了室外場對環(huán)境的選擇要求。

二、時域門消除反射信號的原理

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

天線方向圖室外遠(yuǎn)場測試場的典型場地如圖1所示。

圖1. 室外測試場

選擇在兩棟建筑之間建立測試場是一個典型的做法。例如，在A棟樓頂放置一個測試轉(zhuǎn)臺，在B棟樓樓頂放置發(fā)射天線，兩棟樓之間的距離滿足遠(yuǎn)場條件。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（對測試環(huán)境有破壞作用的建筑）。例如在附近有另外一棟建筑，這個建筑會反射信號。其中，反射到被測天線的那部分信號就構(gòu)成的對測試環(huán)境的干擾，影響測試精度。

大部分我們所使用的天線都有一定的帶寬。移動通信所使用的天線通常是寬帶的。尤其是隨著移動通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷往前推進(jìn)，對天線的帶寬要求越來越寬。例如，目前4G移動通信天線要求的頻帶為1710MHz~2700MHz，其相對帶寬達(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，實用的天線不可能是從0到無窮的全頻譜。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)度通過矢量接收機(jī)（通常為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）測量。數(shù)據(jù)為天線整個頻段范圍內(nèi)的各頻率點的矢量強(qiáng)度，即頻率域的信號。此數(shù)據(jù)經(jīng)過反傅里葉變換，變換到時間域。在時間域，不同的時間點反映的是從發(fā)射天線經(jīng)不同路徑到達(dá)被測天線的信號強(qiáng)度。很顯然，從發(fā)射天線直接到達(dá)被測天線的路徑最短，所以最先到達(dá)。當(dāng)被測天線的主波束對準(zhǔn)發(fā)射天線，且極化相同時，這一到達(dá)信號幅度最大。如圖2“直射波”所示。其它各反射信號，因為所經(jīng)歷的路徑比直射波長，花費了更多時間，所以到達(dá)時間晚于直射波。一般來說，反射信號因為反射體的材料，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。從時域圖上可以看到，在時間軸上，很明顯看到直射波和反射波分布在不同區(qū)域，也就是明顯被分開了。而頻域響應(yīng)是多徑信號共同作用的結(jié)果，無法區(qū)分。

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

三、時域“門”應(yīng)用要考慮的因素

3.1 帶寬

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

Δt=1/(fstop-fstart)=f/fspan

圖3

計算示例：

以移動通信所使用的頻段為例

表1

	fstart(MHz)	fstop(MHz)	Δt=1/(fstop-fstart)	Δd=c*Δt
1	1710	2170	2.17ns	0.65m
2	1710	2700	1.01ns	0.3m

從表一可知，帶寬越寬，距離分辨越高。

3.2 測試距離與頻率點數(shù)

數(shù)字測量儀器不能連續(xù)測量信號，而是把一個頻段劃分若干個頻率點，然后測量這些點頻的信號。在數(shù)學(xué)上，這等效一個沖擊信號系列與連續(xù)頻率響應(yīng)信號相乘。頻域的兩個信號相乘，等效于各自信號的時域響應(yīng)在時域的卷積。沖擊信號變換到時域仍然是沖擊信號，與天線的頻域測量信號變換到時域的信號卷積后，造成一個周期性響應(yīng)信號。這個信號的周期反映了所能觀察到的最大傳播距離。超過這個距離的信號被掩蓋掉了。如圖4所示

圖4

頻域的采用頻率與時域的重復(fù)周期的關(guān)系為：

Δf=1/T
Δf=(fstop-fstart)/N
N-頻率點數(shù)

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

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

計算舉例

測試距離：80m
發(fā)射和接收電纜等效長度：160m
T=(80+160)/C=0.8us
Δf=1/T=1.25MHz

表2

	fstart(MHz)	fstop(MHz)	N≥(fstop-fstart)/ Δf
1	1710	2170	368
2	1710	2700	792

由表2可知，對于確定的場及測試系統(tǒng)，所測試的頻帶越寬，所需要的掃描頻率點越多。

3.3 附加效應(yīng)問題

時域加“門”后，門函數(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）。正常情況下需要對畸變進(jìn)行校準(zhǔn)，以恢復(fù)正常響應(yīng)。但在方向圖測量過程中，由于只是看各位置的相對信號比，可以不必校準(zhǔn)。但要注意，因為畸變的程度與被測信號的頻帶密切相關(guān)，如果需要與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭對比確定被測天線增益，則測量標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭電平的條件必須與被測天線的相同。

3.4 “門”的寬度問題

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

圖5

為了保證第一點，門的寬度應(yīng)該是天線長度,兩端再各加一個天線距離的分辨率。即：

 T≥(L+2*dδ)/C
L：天線長度
dδ：距離分辨率=C/fspan

確定T后。要保證d1+d2-D>L/2+dδ。對于d1+d2-D<L/2+ dδ區(qū)域的信號（即反射信號落在時間門里面），要通過其它方法消除掉。因為此部分信號不能被時域門濾掉。

3.5 確定直射波

應(yīng)用時域門時，必須要將時域門的中心設(shè)置到直射波到測試轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心，保證在旋轉(zhuǎn)過程中，天線長度加上距離分辨率不超出門之外。3.2節(jié)敘述了直射波的大致確定方法。對一個確定場來說，此參數(shù)只需要確定一次。如果精確知道測試距離，信號傳輸電纜長度及介質(zhì)特性，直射波傳輸時間可以精確計算。但有時確定這些并不容易。甚至，當(dāng)更換一根測試電纜時，如果新電纜的長度或介質(zhì)特性與原來的不一致，此參數(shù)必須重新計算。這在工程上很容易忽略或出錯。一個更簡單的方法是通過時域自動確定此參數(shù)。

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

被測天線大致對準(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，并變換到時域。

打開VNA的Marker，用Marker找到最高值。

將時域門的中心設(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、方案實施

方案的硬件部分與普通的遠(yuǎn)場方案完全相同，不同的是軟件部分。包括測量控制軟件和傅里葉變換軟件。測量控制軟件要自動完成上述掃描頻率點數(shù)的計算及設(shè)置，時間門的寬度，時間門的中心的設(shè)置，門函數(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，缺點是需要額外購買許可證，增加成本。后一種方法需要將掃描的所有頻率點數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C(jī)，由控制計算機(jī)進(jìn)行計算。這種方法不需要VNA具有時域能力，但傳輸和處理大量數(shù)據(jù)，有可能減慢測試速度。如果有條件使用前一種似乎是更好的選擇。

四、效果對比

摩比天線技術(shù)（深圳）有限公司某室外測試如圖6照片所示

圖6

由圖片可以看出在測試轉(zhuǎn)臺后方一側(cè)有一突出的建筑屋，這個建筑屋會有散射信號對測試結(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

在此場地對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)行了測試。圖8 分別是時域門打開（綠色）和關(guān)閉（藍(lán)色）時測試的方向圖，從圖上可以看出，當(dāng)時域門關(guān)閉時，建筑屋所在的位置，呈現(xiàn)明顯的駐波特性（一種有反射信號干涉的特征），顯示了建筑屋反射對方向圖測試的影響。而當(dāng)時域門打開后，方向圖變得光滑，顯示反射信號被濾除掉。

圖8

五、建議及總結(jié)

5.1 營造較好的測試條件是根本，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，比如被測天線有一定的帶寬等，設(shè)置很多參數(shù)等，做得不對會得到錯誤的結(jié)果。

5.2 注意使用條件。

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

5.3 如果合理使用，可以取得較好的效果。

參考資料

【1】吳大正，信號與線性系統(tǒng)分析
【2】韓曉東，黃珍元，鄭利穎。基于chrip-z逆變換矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時域測量技術(shù)，電子測量技術(shù)，2003年，第三期
【3】R&S®ZVA/ R&S®ZVB/ R&S®ZVT，Vector Network Analyzers Operating Manual