CN102834724A - 用于测量有源天线装置的辐射方向图的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量有源天线装置的辐射方向图的设备被提供，其中有源天线装置包括具有彼此通信的专用天线元件的一个或多个无线电。该设备具有在有源天线装置外部的公用模块，以及具有也在有源天线装置外部的并且被耦合到公用模块的校准无线电。公用模块包括发射/接收单元和用于把公用模块与有源天线装置、与校准无线电以及与网络节点接口连接的接口连接装置。公用模块进一步包括用于测量从有源天线装置接收到的信号的测量设备。

Description

用于测量有源天线装置的辐射方向图的设备

技术领域

本发明一般地涉及一种用于测量有源天线装置的辐射方向图（radiation pattern）的设备。更特别地，本发明涉及通过使用近场测量方法对有源天线装置的辐射方向图的测量。

背景技术

在无线通信系统中，当被关联到公用信号的数个经协调的无线电正一起工作时，其中所述经协调的无线电中的每个都被直接连接到每个无线电仅仅一些天线元件，更大的天线阵列被形成。存在该天线阵列应该具有的最优辐射方向图和灵敏度。

当天线元件没有被连接到无线电时，对于一个无线电特定的一些天线元件的辐射方向图可以容易地被分开测量。任何近场天线测量系统或远场天线测量系统都可以被使用。然而，当要求在用户级或小区级优化辐射方向图时，这是不够的，因为通过有源天线的最重要的性能改进来自由无线电和各个单独的天线元件一起在他们正形成针对大的阵列的共同的照射函数时所形成的整个相控阵。整个有源天线阵列的性能和功能性必须在开发中以及也在生产中作为单个实体被测量和被验证。

针对天线辐射方向图测量存在两个主要的公知类别：近场测量和远场测量。

近场测量是基于如下事实：当天线的照射函数在天线周围的任何闭曲面处被测量时，任何天线的辐射方向图都可以被计算。这要求在足够数目的点处对相对功率和相对相位的测量，使得当离散傅里叶变换（DFT）针对所测量的照射函数点被计算时，结果给出了具有对于测量到的照射函数的相对分辨率的辐射方向图。在这背后的理论是众所周知的，并且存在可以在球面坐标、圆柱坐标或笛卡尔坐标中测量照射函数的数个商用设备。使用任何基本的坐标面简化了DFT计算。近场测量系统在室内容易地适合，可以容易地与外部干扰相隔离，并且相比较于远场测量系统在价格上通常更低。另外，针对近场系统的电波暗室（anechoic chamber）的反射水平可以比该室的针对远场测试系统的反射水平显著更高。那是由于在参考天线与测试中的天线之间的更低的衰减，使得反射引起结果中的更小的误差。

通常的近场测量系统具有控制单元，以操纵扫描、以接口连接（interface）正执行相位和功率测量的商用测试仪器（通常是网络分析仪）和机械扫描系统或机电组合扫描系统。通过计算测量结果的DFT，控制单元还分辨辐射方向图。从控制单元到扫描系统的接口通常是专有的，但是来自测试仪器的接口通常是IEEE 488或更普通地是以太网。

图1示出了具有绕着轴中的一个的电扫描的公知的近场系统。电扫描仪不比“向内看的（inside looking）”的天线的环更复杂，所述“向内看的”天线中的一个或多个可以用开关被选择并且被连接到网络分析仪的一个测试端口。每个天线都表示单独的测量点。另一测试端口被连接到测试中的天线。网络分析仪现在可以在每个点都测量相对相位和相对功率。扫描仪环在横向上的移动由旋转器或线性驱动器执行，所述旋转器在扫描仪环的中心点中转动DUT天线，而所述线性驱动器沿着环的Z轴移动测试中的天线。

远场测量是找出天线的辐射方向图的传统方式。通过使用参考天线仅仅测量相对的接收到的功率是足够的，并且定位系统也是非常简单的。远场测量的问题是在测试中的天线与参考天线之间的距离R必须比测试中的天线的远场极限大；即，

R＝2d²/λ

其中：

d=天线的最大尺寸

λ=波长。

针对通常的远程通信天线以及因此也针对通常的有源天线，远场极限可以是大约20m至40m。

这个的结果是，远场范围通常是室外范围，并且在参考天线与测试中的天线之间的距离通常从50米变化到数百米。位于室外的远场范围如今正变成罕见的设施，因为除了限制室外测试范围的使用的不利的天气条件的问题之外，远程通信网络可能妨碍天线的测量或被天线的测量干扰。可能的是，只有当电波暗室比远场极限更长时，或者只有当特殊的大的镜被用来折叠辐射波束使得远场条件在较短的距离处被达到时，才将远场天线测试范围定位成室内条件。该室不得不是被减少的距离的长度的约一半。然而，这些选项通常是非常代价高的。该室是大的，并且制造是极昂贵的，而且大的且难以制造的镜的成本也可能不得不被添加。

因此，近场测量是针对有源天线的优选的选项。问题是，不存在现有的仪器或方法，以测量任何远程通信有源天线的信号的相对功率和相对相位。没有测试仪器可用，所述测试仪器能够探测到远程通信无线电的经调制的信号，或者能够给这些无线电发送经调制的信号，使得这些信号可以被探测到。通过使用该可用的测试仪器，相对功率可以被测量，但是不存在测量相位的装置，因此近场测量不能被执行。可以测量功率和相位的唯一的商用测试仪器是网络分析仪。然而，不可能使用该仪器来测量有源天线。

因而要求用于测量有源天线的近场辐射方向图的有效的解决方案。

发明内容

因此，本发明提供了一种用于测量有源天线装置的辐射方向图的设备，其中有源天线装置可以包括一个或多个无线电，所述无线电中的每个都被耦合到一个或多个辐射专用的天线元件。该设备包括在有源天线装置外部的公用模块，以及包括也在有源天线外部的并且被耦合到公用模块的校准无线电。公用模块具有相位和幅度校准信号发射/接收单元、用于把公用模块与有源天线装置、与校准无线电以及与网络节点接口连接的接口连接装置。此外，公用模块包括用于测量从有源天线装置接收到的校准信号的测量设备。

测试中的有源天线装置与公用模块接口连接，所述公用模块测量从有源天线装置（被耦合到在有源天线装置中所包括的一个或多个无线电的（多个）天线）接收到的信号。测量到的信号接着被处理，以获得由有源天线装置所生成的辐射方向图。该设备提供的是，公用模块在有源天线装置的外部，并且通过使用正运送在有源天线装置处接收到的或由有源天线装置所发射的RF信号的数字IQ数据图像的接口，公用模块是可连接到测试中的有源天线的。以这种方式，有源天线装置的近场辐射方向图针对发射和接收都可以被解决。

测量设备可以包括用于生成用于通过校准无线电的发射的测试信号的信号发生器。信号发生器可以生成将由有源天线装置（在有源天线之内所提供的无线电）或由校准无线电所发射的合适的测试信号矢量。

测量设备可以进一步包括用于比较由有源天线装置所发射并且由校准无线电所接收到的两个测试信号的比较器。例如，比较器可以比较在某时由有源天线无线电所发射的至少两个测试信号，所述测试信号由校准无线电接收到。

优选地，比较器另外被适配来比较由在有源天线装置中所提供的至少两个无线电所接收到的信号的相对相位和相对功率。

有利地，测量设备可以包括用于复制由有源天线装置所发射的信号并且调整该信号的幅度和相位的数据复制设备。针对每个有源天线的下行链路数据流可以由数据复制设备来复制。此外，数据复制设备可以单独地调整来自每个有源天线的被复制的下行链路数据流的幅度和相位。

本发明还提供了一种包括天线装置的测量系统，其中所述天线装置具有带有彼此通信的专用天线元件的一个或多个无线电。该测量系统还具有用于测量天线装置的辐射方向图的设备。该设备包括在有源天线装置外部的公用模块和在有源天线装置外部的校准无线电，所述校准无线电被耦合到公用模块。公用模块包括发射/接收单元、用于与有源天线装置、与校准无线电以及与网络节点接口连接的接口连接装置以及用于测量从有源天线装置接收到的信号的测量设备。

本发明另外还提供了一种测量有源天线装置的辐射方向图的方法，所述有源天线装置包括具有彼此通信的专用天线元件的一个或多个无线电。该方法包括：把外部公用模块接口连接到有源天线装置、校准无线电以及网络节点；通过使用公用模块测量从有源天线装置接收到的信号；以及处理测量到的信号，以获得辐射方向图。

优选地，该方法另外还包括把公用模块耦合到外部的近场测量设备。

附图说明

参照特定的实施例并且参照所附附图，仅仅借助例子，本发明现在将被描述，其中：

- 图1示出了用于测量天线装置的辐射方向图的常规的设备；

- 图2是根据本发明的实施例的用于测量天线装置的辐射方向图的设备的简化的示意图；并且

- 图3是根据本发明的实施例的包括用于测量天线装置的辐射方向图的设备的通信系统的简化的示意图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的用于测量测试中的有源天线装置A的辐射方向图的测量设备。有源天线装置包括具有彼此通信的专用的天线元件的各个单独的无线电。

测量设备包括公用模块CM、校准无线电Rcal和校准探针、即天线。在有源天线装置A之内的校准天线可以被其它装置替换，以布置从每个单独的有源天线无线电到校准无线电Rcal的物理反馈。

校准无线电Rcal可以是具有相反的上行链路频率和下行链路频率的经修改的BTS无线电，或者该校准无线电Rcal可以是具有允许其被连接到公用模块CM的接口的经修改的移动电话无线电。被连接到校准无线电Rcal的天线表示近场测量系统的参考天线。

公用模块CM包括可广泛配置的复用器-解复用器开关a），用于把在中间的接口与每个单个有源天线无线电（R1至Rn）、Rcal以及BTS的基带处理单元接口连接和把在中间的接口与每个单个有源天线无线电（R1至Rn）、Rcal以及BTS的基带处理单元一起进行布置。开关a)可以在数字同步串行接口I（例如OBSAI RP3-01和CPRI总线）之间切换，所述OBSAI RP3-01和CPRI总线是针对这样的同步串行接口的最好的公知的工业选项。然而，其它串行接口可以被使用。

公用模块CM还包括信号发生器b），用于生成将由每个单独的有源天线无线电或由Rcal所发射的合适的测试信号矢量。第一比较器c)被提供在公用模块CM中，用于比较在某时由至少两个有源天线无线电所接收到的相对相位和相对功率，并且第二比较器d)被提供用于比较在某时由有源天线无线电所发射的并且由Rcal所接收到的至少两个测试信号。

在公用模块CM之内的数据复制设备e)被适配来复制针对每个有源天线无线电的下行链路（DL）数据流并且单独地调整该下行链路（DL）数据流的幅度和相位，而处理器f)被适配来吸收来自每个单独的有源天线无线电的接收到的IQ数据流、分开地调整每个接收到的IQ数据流的相位和功率并且形成它们的组合的数据流作为单独的数据流的矢量和。

为了测试和开发的目的，公用模块CM还可以具有用于到任何基于计算机的系统的本地连接的连接器（这里未示出）。该连接器可以通过USB、以太网或任何串行接口来实施。为了那个目的，以太网是优选的总线。

上面所描述的部件在外部被提供给测试中的天线。这些部件测量信号的相对功率和相对相位，并且把这些信号连接到商用的近场测量系统的控制和RF接口，使得在每个测量点中的相对相位可以在发射和接收中均被探测到。

图3示出了实施上面所描述的设备的测量系统。公用模块CM以及附加的校准无线电Rcal被连接到测试中的有源天线装置A、商用的近场测试系统的控制单元CU以及商用的近场测试系统的扫描仪环S的RF接口。在这个设置中，根据本发明的测量设备（外部校准无线电Rcal和外部公用模块CM）替换针对无源天线所使用的网络分析仪。通过使用接口（例如RP3-01接口），测量设备中的外部公用模块CM被连接到测试中的有源天线A，所述接口运送接收到的或将被发射的RF信号的数字IQ数据图像。RP3-01接口还在测量设备中的公用模块CM与有源天线A中的公用模块之间运送所有O&M数据。O&M数据包括所有命令、确认以及还有当要求时包括测量结果。

测量过程如下发生（所示出的接口RP3-01也可以被任何其它RF-BB总线替换）：

测试中的有源天线A的一般会被连接到BTS中的基带处理单元的接口RP3-01首先被连接到测量设备的外部公用模块CM的RP3-01接口之一。根据外部公用模块CM的设置，那可以是BB侧接口或无线电侧接口。该连接的目的是建立在测量设备的外部公用模块CM与有源天线A之内的公用模块之间的O&M和RF-BB IQ数据链路。外部公用模块CM被提供有用于与在有源天线内部的公用模块以及也与近场测试系统控制单元进行通信的专门的SW和固件。天线A的内部公用模块在实践上以和在正常的有源天线工作中相同的方式工作。该天线A的内部公用模块首先执行校准过程，所述校准过程被要求来保证由有源天线所生成的辐射方向图是如所要求的那样。在这种情况下，内部公用模块被提供有测量模式，在所述测量模式下，外部公用模块CM能够命令该内部公用模块。在这种测量模式下，内部天线公用模块并不要求来自基带处理单元中的基带处理的数据，而是使用校准信号作为接收到的和被发射的信号，并且也能够与外部公用模块CM充分地进行通信。

在测量设备中的公用模块CM已经执行了标准的校准例程之后，两个公用模块（测量设备中的公用模块CM以及有源天线装置A之内的公用模块）都开始向它们自己的发射机发送IQ数据：内部公用模块向有源天线装置中的所有无线电发送具有在校准中被验证的定时图（timing pattern）的数据，并且外部公用模块CM将这些数据发送到它自己的校准无线电Rcal。同时，外部公用模块CM开始从有源天线装置中的所有有源天线接收机接收IQ数据，并且外部CM从它自己的校准无线电Rcal接收IQ数据。这使得上行链路校准和下行链路校准能够同时发生。有源天线装置A中的无线电如在根据预置的相位和功率图的正常工作中那样工作，即这些无线电显示为想要的辐射方向图中典型的照射函数。近场系统的控制单元选择辐射方向图并且经由测量设备中的外部公用模块CM将该辐射方向图命令到有源天线装置A中的内部公用模块。

当所有被要求的数据链路被建立并且测试中的有源天线装置A如在正常使用中那样工作时，测量过程可以开始。通过选择扫描仪（探测器）环S（扫描仪环S可以包括多达64个可选择的参考天线）的正确的参考天线元件RA或者通过以物理方式移动/旋转测试中的有源天线装置A或者通过移动参考天线RA或者通过对于该系统以特定的方式执行上面过程中的一个以上，测量系统的控制单元使用其定位系统选择想要的测量点。

在每个测量点处，外部CM接收由内部公用模块中的信号发生器所生成并且由在内部CM与有源天线装置A之内的无线电之间的接口所分发到每个无线电的测试信号。来自各个单独的无线电的信号在天线测试系统的参考天线与有源天线装置的无线电特定天线之间在空中被组合。该组合的信号在该测量点中形成照射函数的良好定义的值。因为在两个公用模块之间的接口a）和数据链路都是相同类型的，并且因为它们是同步的并且能够在发送端和接收端维持相同的定时，所以可能的是，由比较器d)以针对相对无线电信号相位测量的足够的精确度固定在有源天线A中的内部公用模块与在测量设备中所提供的外部公用模块CM之间的定时 。外部公用模块CM中的比较器d)比较如当被信号发生器b)生成时的那样的信号，该比较在该信号由在有源天线A内部的公用模块的数据复制设备e)形成之前进行，因为该信号表示为辐射方向图测量的正确的参考的总的被发射的无线电信号。

相对功率也可以通过比较器d)被测量。比较器d)中的所要求的锁相可以被维持足够长的时间，以测量照射函数的所有被要求的点。被要求的锁相可以被维持可以从有源天线装置A的基本功能要求中被导出。针对测量相对功率，比较器d)比比较器c)更好，因为存在被彼此比较的两个分开的数据流，而不是包含要被区别和被比较的两个不同信号的单个流。

在所有的点都被测量之后，每个点的相对功率值和相对相位值可以被传送到天线测试系统的控制单元，并且该控制单元可以计算发射中的辐射方向图。

在发射中的辐射方向图被测量之后，测量设备中的在天线A外部的公用模块CM以及在有源天线A之内的公用模块的角色被颠倒，并且接收中的辐射方向图被测量。

外部公用模块CM通过使用信号发生器b)开始生成测试信号矢量并且把该测试信号矢量分发到它自己的校准无线电Rcal，以通过近场测试系统的（被选择的）参考天线要被发射，以要被有源天线装置中的各个单独的无线电接收到。

该信号在参考天线与有源天线装置A中的各个单独的无线电特定天线之间的传播与发射中的传播是互逆的。相同的信号也被复制到在有源天线A内部的公用模块，并且由测量设备中的外部公用模块CM和天线A中的外部公用模块CM所发射的信号和所接收到的信号的相位精确度根据与在发射测量中相同的原理被维持。

有源天线装置A的各个单独的无线电均接收到由参考天线分开地发射的信号。数据处理设备f)组合接收到的各个单独的信号，使得合成结果表示每个辐射方向图中典型的总信号。该总信号是针对与由外部公用模块CM所生成的信号的相对比较的正确的功率和相位参考。该比较在有源天线A的内部的公用模块中由比较器d)执行，并且该结果经由在公用模块之间的RF-BB总线被发送到外部CM。

当所有的点已经被测量时，每个点的相对功率值和相对相位值都被传送到天线测试系统的控制单元，并且该控制单元可以计算接收中的辐射方向图。

以这种方式，有源天线的辐射方向图在发射中和在接收中都被解决。测试中的有源天线的参考数据以及具有该特定辐射方向图的目标辐射方向图的参考数据可以被添加到测量结果文件，并且可以被存档。此外，目标辐射方向图与测量到的辐射方向图之间的差可以被计算。该测量可以用针对相同的有源天线的另一目标辐射方向图接着被重复。

虽然本发明在上文中已经参照特定的实施例被描述，但是本发明并不限于这些实施例，并且无疑地，本领域技术人员将想到落在本发明的如所要求保护的范围之内的其它替换方案。

Claims (9)

1.一种用于测量有源天线装置的辐射方向图的设备，所述有源天线装置包括具有彼此通信的专用天线元件的一个或多个无线电，所述设备包括：

在有源天线装置外部的公用模块；以及

在有源天线装置外部的并且被耦合到公用模块的校准无线电，

其中，所述公用模块包括

       发射/接收单元，

       用于把公用模块与有源天线装置、与校准无线电以及与网络节点接口连接的接口连接装置，以及

       用于测量从有源天线装置接收到的信号的测量设备。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，测量设备包括用于生成用于通过校准无线电的发射的测试信号的信号发生器。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，测量设备包括用于比较由有源天线装置所发射的并且由校准无线电所接收到的两个测试信号的比较器。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，比较器进一步被适配来比较从至少两个专用的天线元件接收到的信号的相对相位和相对功率。

5.根据权利要求1至4中的任意权利要求所述的设备，其中，测量设备包括用于复制由有源天线装置所发射的信号并且调整该信号的幅度和相位的数据复制设备。

6.一种测量系统，所述测量系统包括：

有源天线装置，所述有源天线装置包括具有彼此通信的专用天线元件的一个或多个无线电；以及

用于测量天线装置的辐射方向图的设备，所述设备包括：

在有源天线装置外部的公用模块，以及

在有源天线装置外部的并且被耦合到公用模块的校准无线电，

其中，公用模块包括发射/接收单元、用于与有源天线装置、与校准无线电以及与网络节点接口连接的接口连接装置以及用于测量从有源天线装置接收到的信号的测量设备。

7.一种测量有源天线装置的辐射方向图的方法，所述有源天线装置包括具有彼此通信的专用天线元件的一个或多个无线电，所述方法包括：

把外部公用模块接口连接到有源天线装置、校准无线电以及网络节点；

通过使用公用模块测量从有源天线装置接收到的信号；以及

处理测量到的信号，以获得辐射方向图。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括把公用模块耦合到外部近场测量设备。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，处理的步骤在网络节点中发生。

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