CN104993880B - 基于能量和相位的基站天线互调参数化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量和相位的基站天线互调参数化分析方法，在天线互调设计过程中，将基站天线射频传输的途径分成2个部分，第1部分是能量等幅分配和同相位，包括端口跳线、功分器、接线端子和移相器输入端，第1部分等同于馈电网络；第2部分是能量不等幅分配和可变相位差，包括移相器输出端、振子及连接移相器输出端和振子的跳线。本发明还通过将基站天线互调参数化的分解到各部件，明确提出各部件互调要求；并且，据此提供基站天线互调生产参数化管控方式和基站天线互调返修中的参数化故障定位方式实现建议。本发明改变了传统天线互调设计主要依靠经验的方法，可以大大减少工程师的互调实践经验积累，进而减小互调设计风险和周期。

Description

基于能量和相位的基站天线互调参数化分析方法

技术领域

本发明涉及移动通信的基站天线领域，尤其涉及基站天线的互调参数化分析方法领域。

背景技术

在无线通信系统中，基站天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副基站天线既可以辐射又可以接收无线电波：发射时，将收发信机馈给的射频电能转换为电磁波能；接收时，把电磁波能转化为射频电能并输送到收发信机。网络运营商为提升网络质量、增加覆盖范围，收发信机的机顶功率在不断增加，基站天线也由定向天线升级为电调天线，由双端口单频天线升级到10端口5频天线，同时基站天线的三阶互调最低要求也达到了-107dBm。基站天线的主体结构由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成，馈电网络进一步细分为端口跳线，功分器，接线端子，移相器等部件。

现有基站天线设计生产厂家：在天线互调设计中，遵循的是经验设计方法；在天线互调生产控制中，遵循的是过程管控方法；在天线互调返修中，遵循的是经验排除方法；三个环节之间缺乏有效的参数化反馈机制，需要大量有长期互调实践经验的工程师，通过在各自领域积累的经验和知识，来支持整个基站天线的互调设计保证、互调生产直通率、互调返修合格率及效率。现有基站天线的频段和端口越来越多，部分网络运营提出了比三阶互调-107dBm更高的要求，基于经验的基站天线互调分析方法已经不能满足天线互调设计实现、互调生产直通率以及互调返修合格率和效率。

综合上述的分析可知，在基站天线互调分析方法领域，需要突破本领域的惯性认知，对现有技术和方法进行创新。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有经验分析方法存在的缺点和不足，提供一种基于能量和相位的基站天线互调参数化分析方法，实现基站天线互调参数化设计，实现基站天线互调生产参数化管控，实现基站天线互调返修中的参数化故障定位。

本发明技术方案提供一种基于能量和相位的基站天线互调参数化分析方法，在天线互调设计过程中，将基站天线射频传输的途径分成2个部分，

第1部分是能量等幅分配和同相位，包括端口跳线、功分器、接线端子和移相器输入端，第1部分等同于馈电网络；第1部分中各部件的互调设计要求值参数化实现如下，

将端口反射互调测试的双音射频信号载波功率，根据各功分器的功率分配比，分解到第1部分各部件中去，根据射频电能传播公式E＝E₀cos[ω(t-x/u)+φ₀]，同相位的三阶互调产物在反射互调时直接叠加合成为其中，E_i表示第i个部件的三阶互调产物，部件数量为n；E为电场强度，E₀为波幅，ω为角频率，t为传播时间，x为电长度值，u为波速，φ₀为相位初始值；

然后，依据载波功率每增减1dBm则三阶互调产物增减3dBm的原则，根据载波功率得到第1部分中各部件的互调设计要求值参数化结果；

第2部分是能量不等幅分配和可变相位差，包括移相器输出端、振子及连接移相器输出端和振子的跳线，第2部分的互调设计要求值参数化实现如下，

根据馈电网络中功分器的特征和基站电下倾角调整对应的移相器电长度变化进行综合，存在相位差的三阶互调产物通过三角函数方程合成如下，

其中，φ_j为第j个部件的相位初始值；

然后，根据载波功率每增减1dB，三阶互调产物增减3dB的原则，根据载波功率得到第2部分中振子的互调设计要求值参数化结果。

而且，在天线互调生产控制过程中，互调设计理论值无法提供较大余量的，通过减小互调离散度实现；

互调设计理论值有较大余量的，放宽互调离散度，降低生产管控要求。

而且，在天线互调返修过程中，

测试不同基站电下倾角下的基站天线三阶互调值，

若互调测试值随着电下倾角度增加逐渐变好，但最差值低于互调合格值，判断互调故障点为振子或其连接跳线，通过各振子的能量相位方程，从能量最大且相位差最小的成对振子间检查并返修，再次测试互调，若仍不合格，继续排查能量次大且相位差次小的成对振子，直到互调合格；

若互调测试值随着电下倾角度增基本不变，但测试值低于互调合格值，将互调问题定位到馈电网络，进行以下步骤，

1)将同轴电缆的长度和PCB上的蚀刻电路长度，转换成基于双音射频信号和三阶互调产物对应频率的电长度，其中双音射频信号频率对应f₁、f₂，三阶互调产物对应频率为2f₂-f₁，电长度对应的频率取3个频率的算数平均值：

其中，时间_i为电磁波在不同路径i中的传播时间，相速度_i为不同路径i相应介质的电磁波相速度，n为路径的数目；

2)根据基站天线部件距离端口的电长度，将基站电线馈电网络不同部件互调设计值绘制成图表，横坐标为电长度值，纵向坐标为部件三阶互调产物值，在图表上根据互调参数化设计和互调参数化生产数据，预先绘制出2条轨迹，第1条轨迹与横坐标平行，第1条轨迹纵坐标值为基站天线互调合格值，第2条轨迹纵坐标值为计算互调离散度后的部件设计值；

3)搭建可参数化定位基站天线互调故障平台，跟踪双音射频信号发出到接受到三阶互调产物的时间和幅度，并转化成步骤2)所得图表中的连续标记点，通过与步骤2)所得图表中2条轨迹的比对，显示部件故障互调值和故障位置。

本发明的优点在于，采用本发明的基站天线互调参数化设计方式，引入能量和相位的概念，将基站天线互调参数化的分解到各部件，明确提出各部件互调要求，支持编制出以各部件互调值为参数的基站天线互调参数化表格，改变了传统天线互调设计主要依靠经验的方法，可以大大减少工程师的互调实践经验积累，进而减小互调设计风险和周期，并使得基站天线互调设计完全参数化。本发明还根据设计方式提供了管控方式的建议，引入互调离散度的概念，并将互调离散度的影响因素通过统计学的方法参数化，改变了传统天线互调生产无法量化对人、机、法的要求，互调生产直通率不高且有波动的问题，可以大大提升互调生产直通率，且能不断优化互调生产直通率。本发明还根据设计方式提供了基站天线互调返修中的参数化故障定位方法，引入对应频率的电长度概念，并绘制横坐标为电长度值，纵向坐标为部件三阶互调产物值的图表，将实际测量的互调产物经过频域变化为基于电长度的互调值，经过对比可直观发现部件互调故障点和故障值，改变了传统天线互调返修主要采取效率低下的排除法，并且排除效率完全取决于工程师的长期互调实践经验，可以大大提升互调返修效率和返修合格率。

附图说明

图1为基站天线射频电能传播的能量和相位示意图；

图2为本发明实施例的基站天线馈电网络示意图；

图3为本发明实施例的基站天线互调离散度示意图，其中图3a为互调离散度大、互调直通率低的情况，图3b为互调离散度小、互调直通率高的情况；

图4为本发明实施例的基站天线互调返修参数化故障定位图表示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。

本发明采取以下技术方案：在能量和相位的维度，将基站天线互调参数化分解到各部件，明确提出各部件互调要求，并编制出以各部件互调值为参数的基站天线互调参数化表格。在基站天线互调参数化的分解到各部件的基础上，利用参数化分析方法，明确基站天线在预制、焊接、装配、清洁各个环节对人、机、法的参数化要求，互调生产直通率通过互调工艺设计实现。基于能量和相位，搭建可参数化定位基站天线互调故障点和故障值的互调测试平台，准确判定基站天线互调故障点，提升基站天线互调返修合格率和效率。

将基站天线中射频电能传输的路径分成2个部分：第1部分的特征是能量等幅分配和同相位，第2部分的特征是能量不等幅分配和可变相位差。

将不同规格同轴电缆的长度、不同板厚和介电常数PCB上的蚀刻电路长度，转换成基于双音射频信号和三阶互调产物对应频率的电长度，其中双音射频信号频率对应f₁、f₂，三阶互调产物对应频率为f₃＝2f₂-f₁，电长度对应的频率取3个频率f₁、f₂、f₃的算数平均值，时间_i为电磁波在不同路径i中的传播时间，相速度_i为不同路径i相应介质的电磁波相速度，n为路径的连续编号。

f₁、f₂对应的射频电能传播公式为E＝E₀cos[ω(t-x/u)+φ₀]，E为电场强度，E₀为波幅，ω为角频率，t为传播时间，x为电长度值，u为波速，φ₀为相位初始值，其中f₁、f₂分别相应的E₀取值相同，φ₀取值相同，由于f₁、f₂频率有差异，分别相应的ω值不同。在射频电能通过f₁、f₂的能量传播公式，馈电网络中射频电缆传播的射频电能为线性衰减，功分器根据能量分配比将E分配到多路，分配后各路相位保持不变，可计算出任基站天线任何电长度点的载波功率，载波功率每增减1dBm，三阶互调产物增减3dBm。

材料互调值和部件互调设计理论值的比较要基于对应的载波功率。

第2部分中振子的能量和相位由基站天线的在不同电下倾角度下的基站天线方向图指标决定，各振子的相位差随着电下倾角度增加而增加，导致三阶互调产物在各个振子反射源的初始相位差变大，三阶互调产物反向通过移相器后，各振子对应的三阶互调产物相位差增加1倍，通过功分器能量合成后的三阶互调值主要由能量最大且相位差较小的成对振子决定。

互调最差的部件决定基站天线互调成败，例如实施例中依次有6个部分的部件，如图2所示端口跳线、前级的功分器、后级的功分器、端子、移相器、振子。因此互调＝min[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆]，其中x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆依次为各个部件实际互调值。图2中包括8个端子，依次标记为端子01、端子02、端子03、端子04、端子05、端子06、端子07、端子08；8个移相器，依次标记为移相器01、移相器02、移相器03、移相器04、移相器05、移相器06、移相器07、移相器08；8个振子，依次标记为振子01、振子02、振子03、振子04、振子05、振子06、振子07、振子08。

实施例提供的基站天线互调参数化设计方法包括以下步骤：

如图2所示，以基站天线连接收发信机的端口为起点，将射频电能转换为电磁波能的振子为终点，将射频传输的途径分成2个部分：第1部分是能量等幅分配和同相位，第2部分是能量不等幅分配和可变相位差。如图2所示，第1部分包含端口跳线、功分器(共两级)和接线的端子，移相器输入端，第1部分等同于馈电网络，第2部分包含移相器输出端、振子及连接移相器输出端和振子的跳线。具体实施时，可将影响基站天线互调的4大因素：电镀、焊接、接触、清洁，依据各部件的加工、装配、焊接形式，分解到基站天线2个部分中去。

馈电网络(即第1部分)中各部件的互调设计要求值参数化实现如下：

将端口反射互调测试的双音射频信号载波功率，根据各功分器的功率分配比，分解到第1部分各部件中去，如图1所示，电磁波传播方向为电长度的正方向，电场与磁场方向垂直，波长是在一个周期内的传播的距离，由实际频率和传播的介质而定，电场的波峰对应振幅，根据射频电能传播的能量和相位示意图，可得射频电能传播公式为E＝E₀cos[ω(t-x/u)+φ₀]，E为电场强度，E₀为波幅，ω为角频率，t为传播时间，x为电长度值，u为波速，φ₀为相位初始值。根据能量合成原理，同相位的三阶互调产物在反射互调时直接叠加合成，公式如下：其中，E_i表示第i个部件的三阶互调产物，部件数量为n。

然后，依据载波功率每增减1dB，三阶互调产物增减3dB的原则，可根据载波功率得到第1部分中各部件的互调设计要求值参数化结果。

第2部分中的互调设计要求值参数化是针对其中的振子，实现如下：

根据馈电网络中功分器的特征，可得出各振子的能量方程，根据基站电下倾角调整对应的移相器电长度变化，可得出各振子相位方程，2个方程可综合为各振子的能量相位方程。根据能量合成原理，存在相位差的三阶互调产物通过三角函数方程合成：

其中，E_i表示第i个部件的三阶互调产物，部件数量为n；φ_j为第j个部件的相位初始值。

然后，根据载波功率每增减1dB，三阶互调产物增减3dB的原则，可根据载波功率得到第2部分中各部件的互调设计要求值参数化结果。

第2部分振子的互调设计值，可通过上述方式参数化，由于相位差影响，互调设计值有一个区间，最差值对应最小的下倾角，最优值对应最大的下倾角，振子互调设计值取最差值。

具体实施时，可编制出以各部件互调值为参数的基站天线互调参数化表格，使得基站天线互调设计完全参数化。本领域技术人员可采用软件技术实现参数化的自动实现。

材料的缺陷、磁滞等决定材料互调，当部件材料互调值低于部件互调设计理论值时，部件互调设计理论值由材料决定。根据载波功率每增减1dBm，三阶互调产物增减3dBm的原则，可发现材料在对应不同载波功率时互调产物不同。材料互调值和部件互调设计理论值的比较要基于对应的载波功率。

具体实施时，基于以上参数化设计方式，基站天线互调生产参数化管控可实现如下：

基站天线各部件的互调设计值为理论值，在实际生产中，会由于电镀、焊接、接触、清洁这4大因素离散化的同时恶化。

互调离散度是互调统计值的方差大小，主要由以下几点因素决定：1.电镀、焊接、接触、清洁这4大因素的影响减少或减弱；2.各工序操作人员好中差素质的比例；3.装配焊接清洁工装夹具的一致性和使用比例；4.是否配置过程检验排除互调不合格部件。

如图3所示，以互调为横坐标、频度为纵坐标生成曲线，通过分析互调合理值、互调生产期望值、互调合设计理论值，对比图3a中互调离散度大、互调直通率低的情况和图3b中互调离散度小、互调直通率高的情况，可知为保证互调直通率，有2个措施：措施1为提高互调设计理论值(当为材料互调受限时，提升材料互调值)，冗余较大的互调离散化及恶化；措施2为合理的互调设计理论值，减小互调离散，降低互调恶化程度。

措施1会增加基站天线某些部件互调设计难度(或提升材料互调要求)，提升互调直通率保证成本，措施2可通过以下方式实现：

互调设计理论值无法提供较大余量的，通过减小互调离散度实现。

互调设计理论值有较大余量的，可适当放宽互调离散度，降低生产管控要求。

对于影响互调离散度的第1、2、3点因素，可通过大量生产质量数据，通过统计学的方法形成影响互调离散度参数，具体实施时可利用EXCEL的统计学公式导出得到。对于影响互调离散度的第4点因素，在前3点因素可控后，通过配置过程检验排除互调不合格部件形成双重保险，提升互调直通率，并同步收集新的质量数据为再次优化影响互调离散度参数做好准备。

具体实施时，设计数据和中试生产的数据，经过统计分析方法，之间的期望值偏移就是余量。余量大就放宽要求。

基于以上参数化设计方法，具体实施时，基站天线互调返修中的参数化故障定位方法可包括以下步骤：

测试不同基站电下倾角下的基站天线三阶互调值，

若互调测试值随着电下倾角度增加逐渐变好，但最差值低于互调合格值，可判断互调故障点为振子或其连接跳线，通过各振子的能量相位方程，从能量最大、相位差最小的成对振子间检查焊接、接触、清洁等生产管控点，通过返修解决，再次测试互调，若仍不合格，继续排查能量次大，相位差次小的成对振子，直到互调合格。

若互调测试值随着电下倾角度增基本不变，但测试值低于互调合格值，可基本排除振子的互调问题，可将互调问题定位到馈电网络，详见以下步骤：

1)将同轴电缆的长度、PCB上的蚀刻电路长度，转换成基于双音射频信号和三阶互调产物对应频率的电长度，其中双音射频信号频率对应f₁、f₂，三阶互调产物对应频率为2f₂-f₁，电长度对应的频率取3个频率的算数平均值：

2)如图4所示，根据基站天线部件距离端口的电长度，将基站电线馈电网络不同部件互调设计值绘制成图表，横坐标为电长度值，纵向坐标为部件三阶互调产物值，在图表上根据互调参数化设计和互调参数化生产数据，预先绘制出2条轨迹，第1条轨迹与横坐标平行，第1条轨迹纵坐标值为基站天线互调合格值，第2条轨迹纵坐标值为计算互调离散度后的部件设计值(虚线表示)。

3)搭建可参数化定位基站天线互调故障平台，此平台可参考现有技术基于时域反射原理实现，可跟踪双音射频信号发出到接受到三阶互调产物的时间和幅度，并转化成步骤2)图表中的连续标记点，通过与步骤2)图表中2条轨迹的比对，直观显示部件故障互调值和故障位置，可得互调故障点和互调离散度较大点。

具体实施时，所述可参数化定位基站天线互调故障平台可通过预先校准，将步骤2)图表上横坐标的电长度零点调整为基站天线端口。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。

Claims (2)

1.一种基于能量和相位的基站天线互调参数化分析方法，其特征在于：在天线互调设计过程中，将基站天线射频传输的途径分成2个部分，

第1部分是能量等幅分配和同相位部分，包括端口跳线、功分器、接线端子和移相器输入端，第1部分等同于馈电网络；第1部分中各部件的互调设计要求值参数化实现如下，

将端口反射互调测试的双音射频信号载波功率，根据各功分器的功率分配比，分解到第1部分各部件中去，根据射频电能传播公式E＝E₀cos[ω(t-x/u)+φ₀]，同相位的三阶互调产物在反射互调时直接叠加合成为其中，E_i表示第i个部件的三阶互调产物，部件数量为n；E为电场强度，E₀为波幅，ω为角频率，t为传播时间，x为电长度值，u为波速，φ₀为相位初始值；

然后，依据载波功率每增减1dB则三阶互调产物增减3dB的原则，根据载波功率得到第1部分中各部件的互调设计要求值参数化结果；

第2部分是能量不等幅分配和可变相位差部分，包括移相器输出端、振子及连接移相器输出端和振子的跳线，第2部分的互调设计要求值参数化实现如下，

根据馈电网络中功分器的特征和基站电下倾角调整对应的移相器电长度变化进行综合，存在相位差的三阶互调产物通过三角函数方程合成如下，

其中，φ_j为第j个部件的相位初始值；

然后，根据载波功率每增减1dB，三阶互调产物增减3dB的原则，根据载波功率得到第2部分中振子的互调设计要求值参数化结果。

2.根据权利要求1所述基于能量和相位的基站天线互调参数化分析方法，其特征在于：在天线互调返修过程中，

测试不同基站电下倾角下的基站天线的三阶互调产物的值，

若互调测试值随着电下倾角度增加逐渐变好，但最差值低于互调合格值，判断互调故障点为振子或其连接跳线，通过各振子的能量相位方程，从能量最大且相位差最小的成对振子间检查并返修，再次测试互调，若仍不合格，继续排查能量次大且相位差次小的成对振子，直到互调合格；

若互调测试值随着电下倾角度增加基本不变，但互调测试值低于互调合格值，将互调问题定位到馈电网络，进行以下步骤，

1)将同轴电缆的长度和PCB上的蚀刻电路长度，转换成基于双音射频信号和三阶互调产物对应频率的电长度，其中双音射频信号频率对应f₁、f₂，三阶互调产物对应频率为2f₂-f₁，电长度对应的频率取3个频率的算数平均值：

其中，时间_i为电磁波在不同路径i中的传播时间，相速度_i为不同路径i相应介质的电磁波相速度，num为路径的数目；

2)根据基站天线部件距离端口的电长度，将基站电线馈电网络不同部件的互调设计要求值绘制成图表，横坐标为电长度值，纵向坐标为部件的三阶互调产物的值，在图表上根据互调参数化设计和互调参数化生产数据，预先绘制出2条轨迹，第1条轨迹与横坐标平行，第1条轨迹纵坐标值为基站天线互调合格值，第2条轨迹纵坐标值为计算互调离散度后的互调设计要求值；

3)搭建可参数化定位基站天线互调故障平台，跟踪双音射频信号发出到接收到三阶互调产物的时间和幅度，并转化成步骤2)所得图表中的连续标记点，通过与步骤2)所得图表中2条轨迹的比对，显示部件故障互调值和故障位置。