CN102546049B - 天线指标计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线指标计算方法及装置。其中天线指标计算方法包括：对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置离散点均匀分布，计算各个离散点的方位角和导向矢量；根据权值测试数据计算各个离散点对应的不同极化方向的功率值，将方位角相同的离散点的功率值进行叠加；根据设置的离散点及叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图，根据波束幅度方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值和旁瓣增益指标值。本发明的天线指标计算方法及装置，无需使用天线转台工具，节省了测试成本；同时可根据需要调整采样点的间距，极大节省了工作量，提升了指标精度。

Description

天线指标计算方法及装置

技术领域

本发明涉及一种天线技术，尤其涉及一种天线指标计算方法及装置。

背景技术

智能天线是TD-SCDMA系统中采用的一项物理层关键技术，它根据空分多址(SDMA)的思想，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。其基本原理是采用波束赋形算法和数字信号处理器产生全局或局部最优的天线阵列权值矢量，并利用波束形成网络动态调整业务波束，使主波束对准有用信号上行波达角(DOA)方向，旁瓣和零陷对准其他干扰用户方向，从而达到增强有效信号、抑制干扰信号的目的。TD-SCDMA系统采用时分同步技术，上下行信号对称，从而简化了智能天线系统的设计，根据上行接收信号的生成权值可直接应用于下行业务波束的赋形，这为测量双极化智能天线的业务波束的主瓣宽度和旁瓣增益提供了条件。

主瓣宽度和旁瓣增益作为智能天线技术的重要评价指标，为鉴别智能天线及其波束赋形算法的增益、波束跟踪和干扰抑制等能力提供了依据。获得主瓣宽度和旁瓣增益指标的前提是绘制智能天线的波束幅度方向图，目前一般采用转台绘点法绘制，即将待测天线安装于电控转台，另一方面扫频仪外接信标天线，通过路测终端发起呼叫或数据业务，待业务波束建立且稳定后，从网络侧获取EBB等波束赋形算法生成的权值序列，并将该序列作为固定权值重新输入至基站侧，以使基站产生恒定的业务波束，然后通过转台控制系统使天线阵列等角度间隔转动，每转动固定角度间隔则暂停一段时间，此期间通过扫频仪记录改点的接收功率数据，并对记录的数据进行统计平均。通过对天线覆角范围内所有等间隔点的记录，可绘制成波束幅度方向图，进而根据方向图的主瓣形状找到两个半功率点，以计算主瓣宽度；同时将主瓣最大功率点与左右旁瓣的最大功率点进行比较，以计算旁瓣增益。每次测量时，为了保证图形的精细度，离散点间的角度间隔往往取在一度以下，且对任一离散点需要采集大量的数据以求统计平均，甚至还要进行反复的图形绘制。

目前对双极化智能天线业务波束的主瓣宽度和旁瓣增益的测量，存在以下问题：

(1)天线转台成本较高，大多数省市级单位并不具备；

(2)对于双极化智能天线阵列，不同极化方向的传播特性不同，阵元之间无法建立阵列流型；

(3)为了保证主瓣宽度指标的精确度，等间隔点之间的夹角较小，需要测量的离散点较多，工作流程复杂，且工作量较大；

(4)测量过程中易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响，业务波束的变形较为严重。

在智能天线的测试中，波达角误差是反映智能天线性能的一项重要指标，目的是为了检测智能天线波束赋形算法是否能够准确判断入射信号的角度并产生准确指向使用户接受信号强度或信噪比最大的方向的发射信号；当入射信号或发射信号的角度与最强功率径相对天线法线方向的角度具有一定偏差时，将使终端上下行信号无法达到最优质量，智能天线的波束跟踪能力也将显著下降；当角度偏差较大时，终端方位甚至将落入业务波束的旁瓣，上下行信号质量将受到抑制。目前测量智能天线的波达角误差主要有两种方法，一种利用GPS等高精度定位设备首先获取测试终端和发射天线的位置，并计算测试终端相对发射天线的方位角度，接着根据该方位角和天线阵列的法线方向确定终端相对天线法线方向的顺时针或逆时针夹角，然后终端发起呼叫或数据业务，使专用物理信道DPCH建立，待业务信道稳定后，在网络侧提取测试终端对应的业务波束的波达角估计值，将该估计值与测试终端相对天线法线方向的角度进行比照，以最终获得波达角误差；另一种则基于天线转台，待测试终端发起呼叫或数据业务，使DPCH建立且保持稳定后，通过转台绘点法描绘出业务波束的幅度方向图，找到方向图中的最大功率点所在角度，并将方向图中的0°角与天线法线方向相关联，以获得最大功率点所在的实际物理方位角度，将该物理方位角度与终端相对天线法线方向的角度进行比照，以最终获得波达角误差。

目前对双极化智能天线业务波束的波达角的测量，存在以下问题：

(1)对于第一种方法，波达角估计与波束赋形算法产生的波束指向存在差异，不能完全反映波达角误差，即对于相同的波达角估计值，不同的波束赋形算法将产生不同的波束指向；

(2)对于第二种方法，天线转台成本较高，大多数省市级单位并不具备；

(3)对于第二种方法，最大功率点不完全处于主瓣中间位置，不能准确描述波束指向，即当用户终端向与最大功率点距离较短的主瓣边缘方向移动时，波束跟踪能力将显著低于相反方向；

(4)对于第二种方法，测量过程中易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响，业务波束的变形较为严重。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种天线指标计算方法及装置，节约测试成本，不易受到干扰且提升了指标精度。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种天线指标计算方法，包括：

A、对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

B、设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布，计算各个离散点的方位角和导向矢量；

C、根据权值测试数据计算各个离散点对应的不同极化方向的功率值，将方位角相同的离散点的功率值进行叠加；

D、根据设置的离散点及叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值和旁瓣增益指标值。

其中，所述权值测试数据包括：待测系统不同阵元的功率数据和相位数据；所述步骤A还包括：根据阵元的极化方向将所述功率数据和相位数据分组。

具体地，所述步骤B中，第i个离散点的方位角为：

其中，L为设置的离散点的数量；

第i-k个离散点的导向矢量为：

其中，d是导向矢量a_i对应的极化方向上任意两个相邻阵元中心之间的距离；j是复数a_i-k的虚部符号。

步骤C具体包括：

根据所述权值测试数据和所述每个离散点的导向矢量将每个阵元对应的功率数据记录和相位数据记录合并转化为复数；

计算每个离散点的功率值为：

P_i＝20log10(w^Ha_i)，其中，P_i不同极化方向的离散点i对应的功率值，H代表矩阵转置操作，a_i是该离散点的导向矢量，w是任意一个极化方向对应的权值矢量；

将相同方位角的不同极化方向的离散点功率值进行叠加，叠加后的功率值为：

其中，代表两个离散点叠加后的功率值，P1、P2表示不同极化方向上离散点i的功率值，单位均为分贝毫瓦(dBm)。

步骤D具体包括：

根据叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图；

各个离散点通过插值或直接连线构成了一条曲线，找到波束幅度方向图的曲线上最大功率值所在的离散点，再根据最大功率值计算出半功率值，找到幅度方向图的曲线上半功率值对应的两个离散点，记录这两个半功率离散点所在的角度θ1和θ2；

计算θ1和θ2的差值，当该差值的绝对值小于180°时，该差值的绝对值为所述天线波束的主瓣宽度；当该差值的绝对值大于180°时，用360°减去该差值的绝对值得到天线波束的主瓣宽度；

找到幅度方向图的虚线上两个旁瓣的最大功率值所在的离散点，根据这两个离散点对应的功率值P2和P3，及主瓣最大功率值P1，计算旁瓣增益G为：

G＝(P2+P3)/2-P1。

为实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种天线指标计算装置，包括：

测试模块，用于对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

设置模块，用于设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布；

方位角计算模块，用于计算各个离散点的方位角；

导向矢量计算模块，用于计算各个离散点的导向矢量；

离散点功率计算模块，用于根据权值测试数据计算各个离散点对应的不同极化方向的功率值；将方位角相同的离散点的功率值进行叠加计算；

生成模块，用于根据设置的离散点及叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图；

主瓣宽度计算模块，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值；

旁瓣增益计算模块，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的旁瓣增益指标值。

本发明的天线指标计算方法及装置，通过根据测试数据生成波束幅度方向图，根据方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值和旁瓣增益指标值，无需使用天线转台工具，节省了测试成本；不易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响；同时可根据需要调整采样点的间距，极大节省了工作量，提升了指标精度。此外还克服了双极化智能天线的不同极化方向之间无法建立阵列流型的问题，从而有助于更精确的了解智能天线和控制系统的波束赋形性能。

为实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种天线指标计算方法，包括：

A、通过测试终端对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

B、根据阵元的极化方向将权值测试数据分组，根据每组权值测试数据生成相应的波束幅度方向图；

C、计算每个波束幅度方向图中的主瓣中线的方向角；

D、根据所述每个主瓣中线的方向角计算天线波束的波达角。

其中，所述步骤B中，根据每组权值测试数据生成相应的波束幅度方向图的操作包括：

对于每组权值测试数据，设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布；

计算各个离散点的方位角和导向矢量；

根据个离散点的方位角和导向矢量生成该组全权值测试数据对应的波束幅度方向图。

步骤C具体包括：

搜索所述波束幅度方向图中的最大功率值，计算出半功率值为最大功率值减去3dBm；

搜索方向图中半功率值对应的两个离散点；

计算两个半功率值对应的离散点之间的中线所在方位角。

具体地，当半功率值对应的离散点的数目超过2个，以左右两边最接近最大功率值对应的离散点的两个点作为半功率点。

具体地，所述计算两个半功率值对应的离散点之间的中线所在方位角的操作包括：

计算两个半功率值对应的离散点的方位角分别为θ1和θ2；

计算两个半功率值对应的离散点之间的中线所在方位角为Φ1，

当|θ1-θ2|≤180°时，

当|θ1-θ2|＞180°时，

步骤C中，各个波束幅度方向图中的主瓣中线的方向角分别为Φ1和Φ2，

所述步骤D根据所述每个主瓣中线的方向角计算天线波束的波达角Φ为：当|Φ1-Φ2|≤180°时，

当|Φ1-Φ2|＞180°时，

更优地，还包括：测量测试终端方位角相对天线法线方向的方位角；根据所述波达角和测试终端方位角相对天线法线方向的方位角计算波达角误差。

其中，所述利用GPS测量测试终端方位角相对天线法线方向的方位角的操作包括：

通过GPS分别测量测试终端和待测天线阵列所在的地理位置；

计算测试终端相对待测天线阵列的方位角；

测量天线法线的方向角度；

计算测试终端方位角相对天线法线方向的方位角。

根据所述波达角Φ和测试终端方位角相对天线法线方向的方位角β计算波达角误差e为：

当|Φ-β|≤180°时，e＝Φ-β；

当β-Φ＞180°时，e＝Φ-β+360°；

当Φ-β＞180°时，e＝Φ-β-360°。

为实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种天线指标计算装置，包括：天线指标计算装置，其特征在于，包括：

测试模块，用于通过测试终端对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

分组模块，用于根据阵元的极化方向将权值测试数据分组；

生成模块，用于根据每组权值测试数据生成相应的波束幅度方向图；

第一计算模块，用于计算每个波束幅度方向图中的主瓣中线的方向角；

波达角计算模块，用于根据所述每个主瓣中线的方向角计算天线波束的波达角。

本发明的天线指标计算方法及装置，通过根据测试数据生成波束幅度方向图，根据方向图计算天线波束的波达角及波达角误差，可以精确反映利用波束赋形算法产生的业务波束的波达角精度，无需使用天线转台工具，节省了测试成本，能够更准确的描述业务波束的指向和波束跟踪能力，且不易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响。此外还克服了双极化智能天线的不同极化方向之间无法建立阵列流型的问题，从而有助于更精确的了解智能天线和控制系统的波束赋形性能。

附图说明

图1是本发明天线指标计算方法实施例一的流程图；

图2是本发明按照不同的极化方向对天线阵元进行编号的示意图；

图3是本发明天线指标计算方法实施例一中生成的波束幅度方向图；

图4是本发明天线指标计算装置实施例一的结构图；

图5是本发明天线指标计算方法实施例二的流程图；

图6是本发明天线指标计算方法实施例二中生成波束幅度方向图；

图7是本发明GPS测量测试终端方位角相对天线法线方向的方位角的示意图；

图8是本发明波达角误差的示意图；

图9是本发明天线指标计算装置实施例二的结构图。

具体实施方式

本发明的天线指标计算方法及装置，主要对于天线波束的主瓣宽度、旁瓣增益、波达角及波达角误差等智能天线的评价指标值进行计算。

以下结合附图对本发明进行详细说明。

方法实施例一

如图1所示，本发明天线指标计算方法实施例包括以下步骤：

步骤S01，准备测试系统，配置待测系统的相关参数，使待测系统处于正常工作状态；

其中，测试系统包括测试终端、包含高精度卫星定位系统(例如GPS)的路测系统一套，测试终端与路测系统直接相连。

并且，待测系统包括双极化天线阵列和智能控制两个部分。

并且，待测系统的相关参数包括终端接入的频点、终端接入的时隙(例如时隙3)、公共物理信道(PCCPCH)的最大发射功率(例如30dBm)、业务信道单码道发射功率范围(例如-18～+1)、波束赋形算法(例如，GOB算法或者EBB算法)、在线校准、内外环功率控制；

步骤S02，在待测点放置移动终端，经由呼叫和正常通话，在网络侧获得一组待测系统的权值测试数据，其中该组权值测试数据包括与待测系统的8个阵元相对应的8个功率数据记录和8个相位数据记录；

如图2所示，可按照不同的极化方向对天线阵元进行编号，其中+45°极化方向对应的阵元编号分别为[1]至[4]；-45°极化方向对应的阵元编号分别为[5]至[8]，

例如，8个功率数据记录可依次为：

[1]：0.5296

[2]：0.2112

[3]：0.2394

[4]：0.5265

[5]：0.5391

[6]：0.2295

[7]：0.2250

[8]：0.5133

8个相位数据记录可依次为：

[1]：0.9960

[2]：-0.8625

[3]：2.4538

[4]：0.5894

[5]：0.9538

[6]：-0.9264

[7]：2.4095

[8]：0.5991

步骤S03，根据测试数据对应的不同阵元的极化方向，将该组权值测试数据分为2组，每组包括4个功率数据记录和4个相位数据记录；

步骤S04，选取一个较大的自然数L，以表示组成待绘制幅度方向图的离散点的数量，令这些离散点均匀分布，即相邻两个离散点对应的方向图中方位角的夹角相同，以计算各个离散点对应的方位角和导向矢量；

例如，L可选取为360，则对应在波束幅度方向图中每间隔1°描绘一个离散点，各离散点对应的方位角可依照以下的公式(1)计算：

${\mathrm{\Φ}}_i=-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{i\π}}{L+1}---\left(1\right)$

其中，i代表该离散点的编号，可以设起始位置为正北方向，对应0°角，各离散点的编号依次为0、1、2、……、359。Φ_i是方向图上离散点i对应的方位角；

并且，在步骤S04中，任一离散点对应的导向矢量可采用如下方法计算：

设任意一个离散点的编号为i，该点对应的导向矢量为a_i，该导向矢量包含4个元素，分别对应+45°极化方向的[1]至[4]号阵元或者-45°极化方向的[5]至[8]号阵元，设这4个元素分别为

a_i＝[a_i-1 a_i-2 a_i-3 a_i-4]            (2)

其中，下标i-后的1、2、3、4代表这4个元素的编号。则任一元素a_i-k的数值可由下面的公式(3)计算获得：

$a_{i-k}=\exp \left[j2\mathrm{\π}(k-1)d\sin (\frac{\mathrm{\π}(i-1)}{L}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\right]---\left(3\right)$

其中，exp代表以自然对数e为底的指数函数，即

$e=\underset{n\→\∞}{\lim }{(1+\frac{1}{n})}^n\≈2.71828---\left(4\right)$

d是导向矢量a_i对应的极化方向上任意两个相邻阵元中心之间的距离，例如可以设为276.44毫米；j是复数a_i-k的虚部符号，k是元素编号，π为圆周率3.14159……；

步骤S05，针对上述两组权值数据记录和各个离散点的导向矢量，将每个阵元对应的功率数据记录和相位数据记录合并转化为一个复数，以分别计算不同极化方向的各个离散点对应的功率值；

例如，+45°极化方向对应的数据包括：

[1]：功率0.5296；相位0.9960

[2]：功率0.2112；相位-0.8625

[3]：功率0.2394；相位2.4538

[4]：功率0.5265；相位0.5894

则转化后的复数为：

[1]：0.2879+0.4445i

[2]：0.1374-0.1604i

[3]：-0.1850+0.1520i

[4]：0.4377+0.2927i；

-45°极化方向对应的数据包括：

[5]：功率0.5391；相位0.9538

[6]：功率0.2295；相位-0.9264

[7]：功率0.2250；相位2.4095

[8]：功率0.5133；相位0.5991

则转化后的复数为：

[5]：0.3119+0.4397i

[6]：0.1379-0.1835i

[7]：-0.1673+0.1504i

[8]：0.4239+0.2894i。

其中，任一离散点对应的功率值可由下面的公式(5)计算；

P_i＝20log10(w^Ha_i)              (5)

其中，Pi代表+45°极化方向或-45°极化方向的离散点i对应的功率值，H代表矩阵转置操作，a_i是公式(2)描述的导向矢量，w是任意一个极化方向对应的权值矢量；

例如，+45°极化方向对应的矢量w为

$w=\left[\begin{array}{c}0.3119+0.4397i\\ 0.1379-0.1835i\\ -0.1673+0.1504i\\ 0.4239+0.2894i\end{array}\right]---\left(6\right)$

-45°极化方向对应的矢量w为

$w=\left[\begin{array}{c}0.2879+0.4445i\\ 0.1374-0.1604i\\ -0.1850+0.1520i\\ 0.4377+0.2927i\end{array}\right]---\left(7\right)$

步骤S06，根据相同的方位角，对计算出的不同极化方向的离散点功率值进行叠加，以获得新的离散点功率值；

其中，相同的方位角对应相同的离散点编号，例如，将+45°极化方向中编号为1的离散点功率值与-45°极化方向中编号为1的离散点功率值相叠加，将+45°极化方向中编号为2的离散点功率值与-45°极化方向中编号为2的离散点功率值相叠加，依次类推，直至两个极化方向上L个离散点的功率值均叠加完毕；

另外，不同极化方向上相同编号的离散点功率值叠加的方法可用下面的公式(8)表示：

其中，代表两个离散点叠加后的功率值，P1对应+45°极化方向上离散点i的功率值，P2对应-45°极化方向上离散点i的功率值，单位均为分贝毫瓦(dBm)；i为叠加后新的离散点编号，新的离散点i对应的新波束幅度方向图上的方位角与叠加前两个离散点对应的方位角相同，例如，i＝91时，+45°极化方向和-45°极化方向上离散点i对应的方位角均为90°，则叠加后新离散点i对应的方向角仍为90°；

例如，+45°极化方向上离散点i的功率值为-61dBm，则P1＝-61dBm；-45°极化方向上离散点i的功率值为-64dBm，则P2＝-64dBm；叠加后的功率值为

步骤S07，根据叠加后的离散点功率值，生成业务波束幅度方向图；

如图3所示，各个离散点通过插值或直接连线构成了一条虚线，代表波束幅度方向图上的业务波束分布；

步骤S08，找到幅度方向图的虚线上最大功率值所在的离散点，如图3所示，该离散点为[1]；再根据最大功率值P1计算出半功率值，找到幅度方向图的虚线上半功率值对应的两个离散点，如图3所示，该离散点为[2]和[3]，记录这两个半功率离散点所在的角度，这两个角度分别对应[4]和[5]；设这两个角度分别为θ1和θ2，依照下面的公式(9)计算得到主瓣宽度：

即当θ1和θ2之差的绝对值小于180°时，该绝对值就是主瓣宽度；当绝对值大于180°时，360°减去该绝对值才是主瓣宽度；

例如，当θ1＝35°且θ1＝52°时，主瓣宽度Φ＝|35-52|＝17°；当θ1＝11°且θ1＝353°时，主瓣宽度Φ＝360-|353-11|＝18°。

步骤S09，分别找到幅度方向图的虚线上两个旁瓣的最大功率值所在的离散点，如图3所示，该离散点为[7]和[8]；根据这两个离散点对应的功率值P2和P3，及步骤S08记录的主瓣最大功率值P1，依照下面的公式(10)计算得到旁瓣增益：

G＝(P2+P3)/2-P1                    (9)

即先求两个旁瓣最大功率的均值，再将该均值减去主瓣最大功率值，便获得了旁瓣增益。

例如，当P1＝-55dBm，P2＝-66dBm，P1＝-70dBm时，旁瓣增益G＝(-66+-70)/2-(-55)＝-13dBm。

本实施例，提出一种计算天线波束的主瓣宽度和旁瓣增益的方法，通过根据测试数据生成波束幅度方向图，根据方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值和旁瓣增益指标值，无需使用天线转台工具，节省了测试成本；不易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响；同时可根据需要调整采样点的间距，极大节省了工作量，提升了指标精度。此外还克服了双极化智能天线的不同极化方向之间无法建立阵列流型的问题，从而有助于更精确的了解智能天线和控制系统的波束赋形性能。

装置实施例一

如图4所示，本发明天线指标计算装置实施例包括：

测试模块41，用于对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

设置模块42，用于设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布；

方位角计算模块43，用于计算各个离散点的方位角；

导向矢量计算模块44，用于计算各个离散点的导向矢量；

离散点功率计算模块45，用于根据权值测试数据计算各个离散点对应的不同极化方向的功率值；将方位角相同的离散点的功率值进行叠加计算；

生成模块46，用于根据设置的离散点及叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图；

主瓣宽度计算模块47，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值；

旁瓣增益计算模块48，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的旁瓣增益指标值。

本实施例天线指标计算装置的具体计算过程在方法实施例一中已经详细描述，在此不再赘述。

本实施例的天线指标计算装置，通过根据测试数据生成波束幅度方向图，根据方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值和旁瓣增益指标值，无需使用天线转台工具，节省了测试成本；不易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响；同时可根据需要调整采样点的间距，极大节省了工作量，提升了指标精度。此外还克服了双极化智能天线的不同极化方向之间无法建立阵列流型的问题，从而有助于更精确的了解智能天线和控制系统的波束赋形性能。

方法实施例二

如图5所示，本发明天线指标计算方法另一实施例包括以下步骤：

步骤S501，准备测试系统，配置待测系统的相关参数，使待测系统处于正常工作状态；

其中，测试系统包括角度测量工具、测试终端、包含高精度卫星定位系统(例如GPS)的路测系统一套，测试终端与路测系统直接相连；

并且，待测系统包括双极化天线阵列和智能控制两个部分；

并且，待测系统的相关参数包括终端接入的频点、终端接入的时隙(例如时隙3)、公共物理信道(PCCPCH)的最大发射功率(例如30dBm)、业务信道单码道发射功率范围(例如-18～+1)、波束赋形算法(例如，GOB算法或者EBB算法)、在线校准、内外环功率控制；

步骤S502，在待测点放置移动终端，经由呼叫和正常通话，在网络侧获得一组待测系统的权值测试数据，其中该组权值测试数据包括与待测系统的8个阵元相对应的8个功率数据记录和8个相位数据记录；

步骤S503，根据测试数据对应的不同阵元的极化方向，将该组权值测试数据分为2组，每组包括4个功率数据记录和4个相位数据记录；

步骤S504，对+45°极化方向对应的1组权值测试数据，选取一个极大的自然数L，以表示组成待绘制幅度方向图的离散点的数量，令这些离散点均匀分布，即相邻两个离散点对应的方向图中方位角的夹角相同，计算各个离散点对应的方位角和导向矢量，以生成波束幅度方向图A，如图6所示；

其中，L的选取决定了波达角误差的精度，即波达角误差的单位可用下面的公式(10)表示：

为了保证测量精度，L的大小可在[720，1800]之内，且最好为360的倍数；

步骤S505，搜索方向图A中的最大功率值，计算出半功率值，其中半功率值为最大功率值减去3dBm，搜索方向图A中半功率值对应的两个离散点所在的角度，若离散点的数目超过2个，以左右两边最接近最大功率值对应的离散点的两个点作为半功率点，计算两个半功率值对应的离散点(以下简称半功率点)之间的中线所在方位角Φ1；如图2所示，[1]即为最大功率点，[2]和[3]对应两个半功率点，[4]为两个半功率点之间的中线，[5]为中线所在方位角Φ1；

其中，设两个半功率点对应的方位角分别为θ1和θ2，且θ1＞θ2，则计算两个半功率点之间中线的方法可用下面的公式(11)表示：

式中，Φ1为两个半功率值对应的离散点之间的中线所在方位角。

例如，当半功率值对应的离散点在方向图A中的方位角分别为27°和10°时，则两个半功率点之间的中线所在方位角为Φ1＝(27+10)/2＝18.5°；当半功率值对应的离散点在方向图A中的方位角分别为352°和10°时，则两个半功率点之间的中线所在方位角为Φ1＝[10-(360-352)]/2＝1°；

步骤S506，对-45°极化方向对应的1组权值测试数据，重复步骤S504至步骤S505，以获得波束幅度方向图B中两个半功率点之间的中线所在方位角Φ2；

步骤S507，根据波束幅度方向图A和B中的Φ1和Φ2，计算双极化智能天线的波达角；

其中，在步骤S07中，波达角的计算方法也可用公式(11)表示，不同的是Φ为双极化智能天线业务波束的波达角，θ1和θ2分别依次对应Φ1和Φ2值；

步骤S508，如图7所示，通过GPS分别记录测试终端和待测天线阵列所在的地理位置，计算测试终端相对待测天线阵列的方位角，通过角度测量工具记录天线法线的方向角度，计算终端方位角相对天线法线方向的方位角；

图7中，业务波束基准方向即为天线法线方向，待测点为测试终端所在位置，待测系统为双极化天线阵列；

其中，在步骤S508中，计算测试终端相对待测天线阵列的方位角的过程包括：首先将GPS地理位置转化为直角坐标系中的位置，根据直角坐标系中的终端位置和待测天线阵列位置，通过反正切计算，获得测试终端相对待测天线阵列的方位角；

并且，在步骤S508中，GPS地理位置转化为直角坐标系中的位置的计算方法可依照下面的公式(12)和公式(13)表示：

其中，公式(12)对应GPS经度数据转换为直角坐标系中的x轴数据，公式(13)对应GPS纬度数据转换为直角坐标系中的y轴数据；x和y代表转换后的直角坐标系中的位置，和代表转换前的GPS数据记录，对应经度数据，对应纬度数据；x₀和y₀为直角坐标系中的原点坐标对应的GPS地理位置；cos为余弦函数，sin为正弦函数，asin为反正弦函数；sign为符号函数，|*|代表对任意实数*求绝对值操作；公式(12)和公式(13)即可用于计算测试终端在直角坐标系中的坐标，也可用于计算待测天线阵列在直角坐标系中的坐标，为简化计算，可设原点坐标对应的GPS位置为待测天线阵列的位置；

公式(12)和公式(13)中的符号函数sign可用下面的公式(14)表示：

$\mathrm{sign}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{\&alpha;}>0\\ 0,& \mathrm{\&alpha;}=0\\ -1,& \mathrm{\&alpha;}<0\end{array}\right.---\left(14\right)$

例如，测试终端的GPS经度位置为115.06389°，纬度位置为30.20610°；待测天线阵列的GPS经度位置为115.06426°，纬度位置为30.20539°；则以待测天线阵列所在GPS位置对应直角坐标系中的原点坐标，测试终端在直角坐标系中的坐标为x＝-35.52，y＝79.21；

并且，在步骤S508中，设正北方向为0°角，角度测量为俯视顺时针方向，通过反正切计算获得测试终端相对待测天线阵列的方位角的方法可用下面的公式(15)和公式(16)表示：

其中，x₁和y₁代表测试终端在直角坐标系中的位置，x₂和y₂代表待测天线阵列在直角坐标系中的位置；arctag为反正切函数；为测试终端相对待测天线阵列的方位角；

例如，待测天线阵列所在GPS位置对应直角坐标系中的原点坐标，测试终端在直角坐标系中的坐标为x＝-35.52，y＝79.21，则测试终端相对待测天线阵列的方位角为

并且，在步骤S508中，终端方位角相对天线法线方向的方位角的计算方法可用下面的公式(17)表示：

其中，天线法线方向的角度为ω；

步骤S509，如图4所示，根据业务波束的波达角和终端方位角相对天线法线方向的方位角，计算波达角误差；

图8中，[1]代表步骤S507获得的双极化智能天线的波达角，[2]代表步骤S08获得的测试终端相对待测天线阵列的方位角，[3]即为所测量的波达角误差；

其中，在步骤S509中，计算波达角误差的方法可用下面的公式(18)表示：

其中，Φ为双极化智能天线业务波束的波达角，β为终端方位角相对天线法线方向的方位角，e为波达角误差，e的取值可以为正数或负数，其目的是在多个不同的待测方向上，查看波达角相对于用户方位是在顺时针方向180°以内还是逆时针180°以内，以利于进一步分析波达角误差产生的主要原因。

本实施例的天线指标计算方法，通过根据测试数据生成波束幅度方向图，根据方向图计算天线波束的波达角及波达角误差，可以精确反映利用波束赋形算法产生的业务波束的波达角精度，无需使用天线转台工具，节省了测试成本，能够更准确的描述业务波束的指向和波束跟踪能力，且不易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响。此外还克服了双极化智能天线的不同极化方向之间无法建立阵列流型的问题，从而有助于更精确的了解智能天线和控制系统的波束赋形性能。

装置实施例二

如图9所示，本发明天线指标计算装置实施例包括：

测试模块901，用于通过测试终端对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

分组模块902，用于根据阵元的极化方向将权值测试数据分组；

设置模块903，用于对于每组权值测试数据，设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布；

方向角计算模块904和导向矢量计算模块905，分别计算各个离散点的方位角和导向矢量；

生成模块906，根据个离散点的方位角和导向矢量生成该组全权值测试数据对应的波束幅度方向图；

第一计算模块907，用于计算每个波束幅度方向图中的主瓣中线的方向角；

波达角计算模块908，用于根据所述每个主瓣中线的方向角计算天线波束的波达角。

另外，为计算波达角误差，该装置还包括：

测量模块909，用于测量测试终端方位角相对天线法线方向的方位角；

误差计算模块910，用于根据所述波达角和测试终端方位角相对天线法线方向的方位角计算波达角误差。

本实施例天线指标计算装置的具体计算过程在方法实施例二中已经详细描述，在此不再赘述。

本实施例的天线指标计算装置，通过根据测试数据生成波束幅度方向图，根据方向图计算天线波束的波达角及波达角误差，可以精确反映利用波束赋形算法产生的业务波束的波达角精度，无需使用天线转台工具，节省了测试成本，能够更准确的描述业务波束的指向和波束跟踪能力，且不易受到天气、NLOS环境、小区间干扰、设备噪声等因素影响。此外还克服了双极化智能天线的不同极化方向之间无法建立阵列流型的问题，从而有助于更精确的了解智能天线和控制系统的波束赋形性能。

应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，本发明也并不仅限于上述举例，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (15)

1.一种天线指标计算方法，其特征在于，包括：

A、对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

B、设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布，计算各个离散点的方位角和导向矢量；

C、根据权值测试数据计算各个离散点对应的不同极化方向的功率值，将方位角相同的离散点的功率值进行叠加；

D、根据设置的离散点及叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值和旁瓣增益指标值；

其中，所述步骤B中，第i个离散点的方位角为：

其中，L为设置的离散点的数量；

第i-k个离散点的导向矢量为：

$a_{i-k}=\exp \left[j2\mathrm{\&pi;}(k-1)d\sin (\frac{\mathrm{\&pi;}(i-1)}{L}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\right],$ 其中，d是导向矢量a_i对应的极化方向上任意两个相邻阵元中心之间的距离；j是复数a_i-k的虚部符号。

2.根据权利要求1所述的天线指标计算方法，其特征在于，所述权值测试数据包括：待测系统不同阵元的功率数据和相位数据；

所述步骤A还包括：

根据阵元的极化方向将所述功率数据和相位数据分组。

3.根据权利要求2所述的天线指标计算方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

根据所述权值测试数据和所述每个离散点的导向矢量将每个阵元对应的功率数据记录和相位数据记录合并转化为复数；

计算每个离散点的功率值为：

P_i＝20log10(w^Ha_i)，其中，P_i不同极化方向的离散点i对应的功率值，H代表矩阵转置操作，a_i是该离散点的导向矢量，w是任意一个极化方向对应的权值矢量；

将相同方位角的不同极化方向的离散点功率值进行叠加，叠加后的功率值为：

其中，代表两个离散点叠加后的功率值，P1、P2表示不同极化方向上离散点i的功率值，单位均为分贝毫瓦(dBm)。

4.根据权利要求1所述的天线指标计算方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

根据叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图；

各个离散点通过插值或直接连线构成了一条曲线，找到波束幅度方向图的曲线上最大功率值所在的离散点，再根据最大功率值计算出半功率值，找到幅度方向图的曲线上半功率值对应的两个离散点，记录这两个半功率离散点所在的角度θ1和θ2；

计算θ1和θ2的差值，当该差值的绝对值小于180°时，该差值的绝对值为所述天线波束的主瓣宽度；当该差值的绝对值大于180°时，用360°减去该差值的绝对值得到天线波束的主瓣宽度；

找到幅度方向图的虚线上两个旁瓣的最大功率值所在的离散点，根据这两个离散点对应的功率值P2和P3，及主瓣最大功率值P1，计算旁瓣增益G为：

G＝(P2+P3)/2-P1。

5.一种天线指标计算装置，其特征在于，包括：

测试模块，用于对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

设置模块，用于设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布；

方位角计算模块，用于计算各个离散点的方位角；

导向矢量计算模块，用于计算各个离散点的导向矢量；

离散点功率计算模块，用于根据权值测试数据计算各个离散点对应的不同极化方向的功率值；将方位角相同的离散点的功率值进行叠加计算；

生成模块，用于根据设置的离散点及叠加后的离散点的功率值生成波束幅度方向图；

主瓣宽度计算模块，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的主瓣宽度指标值；

旁瓣增益计算模块，根据所述波束幅度方向图计算天线波束的旁瓣增益指标值。

6.一种天线指标计算方法，其特征在于，包括：

A、通过测试终端对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

B、根据阵元的极化方向将权值测试数据分组，根据每组权值测试数据生成相应的波束幅度方向图；

C、计算每个波束幅度方向图中的主瓣中线的方向角；

D、根据所述每个主瓣中线的方向角计算天线波束的波达角；

其中，所述步骤B中，根据每组权值测试数据生成相应的波束幅度方向图的操作包括：

对于每组权值测试数据，设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布；

计算各个离散点的方位角和导向矢量；

根据各个离散点的方位角和导向矢量生成该组权值测试数据对应的波束幅度方向图。

7.根据权利要求6所述的天线指标计算方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

搜索所述波束幅度方向图中的最大功率值，计算出半功率值为最大功率值减去3dBm；

搜索方向图中半功率值对应的两个离散点；

计算两个半功率值对应的离散点之间的中线所在方位角。

8.根据权利要求7所述的天线指标计算方法，其特征在于，

当半功率值对应的离散点的数目超过2个，以左右两边最接近最大功率值对应的离散点的两个点作为半功率点。

9.根据权利要求7所述的天线指标计算方法，其特征在于，所述计算两个半功率值对应的离散点之间的中线所在方位角的操作包括：

计算两个半功率值对应的离散点的方位角分别为θ1和θ2；

计算两个半功率值对应的离散点之间的中线所在方位角为Φ1，

当|θ1-θ2|≤180°时， $\mathrm{\&Phi;}1=\frac{\mathrm{\&theta;}1+\mathrm{\&theta;}2}{2};$

当|θ1-θ2|＞180°时，

10.根据权利要求6所述的天线指标计算方法，其特征在于，步骤C中，各个波束幅度方向图中的主瓣中线的方向角分别为Φ1和Φ2，

所述步骤D根据所述每个主瓣中线的方向角计算天线波束的波达角Φ为：

当|Φ1-Φ2|≤180°时， $\mathrm{\&Phi;}1=\frac{\mathrm{\&Phi;}1+\mathrm{\&Phi;}2}{2};$

当|Φ1-Φ2|＞180°时，

11.根据权利要求6所述的天线指标计算方法，其特征在于，还包括：

测量测试终端方位角相对天线法线方向的方位角；

根据所述波达角和测试终端方位角相对天线法线方向的方位角计算波达角误差。

12.根据权利要求11所述的天线指标计算方法，其特征在于，所述测量测试终端方位角相对天线法线方向的方位角的操作包括：

通过GPS分别测量测试终端和待测天线阵列所在的地理位置；

计算测试终端相对待测天线阵列的方位角；

测量天线法线的方向角度；

计算测试终端方位角相对天线法线方向的方位角。

13.根据权利要求11所述的天线指标计算方法，其特征在于，根据所述波达角Φ和测试终端方位角相对天线法线方向的方位角β计算波达角误差e为：

当|Φ-β|≤180°时，e＝Φ-β；

当β-Φ＞180°时，e＝Φ-β+360°；

当Φ-β＞180°时，e＝Φ-β-360°。

14.一种天线指标计算装置，其特征在于，包括：

测试模块，用于通过测试终端对待测系统进行测试，获得待测系统的权值测试数据；

分组模块，用于根据阵元的极化方向将权值测试数据分组；

生成模块，用于根据每组权值测试数据生成相应的波束幅度方向图；

第一计算模块，用于计算每个波束幅度方向图中的主瓣中线的方向角；

波达角计算模块，用于根据所述每个主瓣中线的方向角计算天线波束的波达角；

其中，所述天线指标计算装置还包括：

设置模块，用于对于每组权值测试数据，设置待生成波束幅度方向图中离散点的数量，并设置所述离散点均匀分布；

方向角计算模块和导向矢量计算模块，分别计算各个离散点的方位角和导向矢量；

所述生成模块，根据个离散点的方位角和导向矢量生成该组全权值测试数据对应的波束幅度方向图。

15.根据权利要求14所述的天线指标计算装置，其特征在于，还包括：

测量模块，用于测量测试终端方位角相对天线法线方向的方位角；

误差计算模块，用于根据所述波达角和测试终端方位角相对天线法线方向的方位角计算波达角误差。