CN106443209B - 有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试系统和方法，旨在解决现有技术中无法得出远场ERP和EIS结果的缺点，其技术方案要点是：一种有源基站天线三维空间辐射场相位的测试系统，包括信号源、绕有源基站天线四周呈环形分布且能够形成球形检测面的多探头阵列装置、与所述多探头阵列装置电性连接用于切换多个探头的开关矩阵、与所述开关矩阵电性连接用于接收和处理所述多探头阵列装置的测试数据并生成辐射幅度和相位数据的信号分析器、以及搭载有用于对生成的辐射幅度和相位数据进行计算和处理以生成带幅度值的远场ERP和EIS数据的信号处理软件的信号处理装置。本发明的测试系统具有可以得出远场ERP和EIS结果的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线测量技术领域，更具体地说，它涉及有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试系统和方法。
背景技术
当前随着5G通信形式明朗化，基站天线的应用进入有源化阶段，亦即基站天线和基站系统逐步统一起来，形成了有源基站天线，实际上有源基站天线可以理解为一种通信系统而不是简单的天线，传统的无源测试场无法满足有源基站天线的空间辐射特性测试。人们希望使用ERP和EIS这个参数来描述有源基站天线的辐射性能，通过空间每一方向上的ERP和EIS来绘制有源基站天线的辐射方向图，然而ERP和EIS是建立在调制信号基础上的，可以理解为只有幅度信息而不包含空间辐射带来的相位信息。众所周知，在近场测量中我们得到近场上足够多的点的电场幅度和相位就可以推算出该被测天线的远场方向图，幅度和相位缺一不可。在近场测量中读取到的ERP和EIS只是近场结果，要想得到远场描述，还需要得到相位信息。
申请号为201621052153.1，专利名称为“一种用于有源基站天线或基站系统OTA性能的测试系统及方法”的中国专利公开了获得ERP和EIS的方法，该方法得到的远场ERP和EIS结果是不带相位信息的。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的第一个目的在于提供一种有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试系统，具有可以得出远场ERP和EIS结果的优点。
本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种有源基站天线三维空间辐射场相位的测试系统，包括与有源基站天线的多个辐射单元电性连接用于提供多路可调相射频信号的信号源、绕有源基站天线四周呈环形分布且能够形成球形检测面的多探头阵列装置、与所述多探头阵列装置电性连接用于切换多个探头的开关矩阵、与所述开关矩阵电性连接用于接收和处理所述多探头阵列装置的测试数据并生成辐射幅度和相位数据的信号分析器、以及搭载有用于对生成的辐射幅度和相位数据进行计算和处理以生成带幅度值的远场ERP和EIS数据的信号处理软件的信号处理装置。
通过采用上述技术方案，将有源基站天线作为被测物进行辐射特性的测试，有源基站天线具有多个辐射单元，可向三维空间馈入多路的可控信号；测试时，控制信号源向有源基站天线馈入多路可控信号，使有源基站天线的多个辐射单元向三维空间馈入多路可控信号，随后利用开关矩阵对多探头阵列装置中的多个探头进行切换，获得整个球形检测面的测试数据，然后利用信号分析器对测试数据进行处理，即可获得整个球面的近场辐射幅度和相位数据，最终通过信号处理软件进行计算和处理得出带幅度值的远场ERP和EIS数据。
本发明进一步设置为：所述多探头阵列装置包括安装环、设置在所述安装环上多个探头、转动连接在转台底座上用于放置有源基站天线的承载台、以及用于驱动所述承载台转动以形成检测球面的驱动装置，有源基站天线置于所述安装环中心位置。
通过采用上述技术方案，有源基站天线位于多探头的中心位置，多个探头可对有源基站天线进行等距离的测试，通过驱动装置驱动承载台转动，在检测出有源基站天线一个切面的数据后可切换至下一个切面进行数据检测，最终得出整个球面场的辐射幅度和相位数据。
本发明进一步设置为：所述驱动装置包括驱动电机、固定在所述驱动电机转轴上的驱动齿轮、以及固定在所述承载台上且与所述驱动齿轮啮合的从动齿轮。
通过采用上述技术方案，启动驱动电机，驱动电机带动驱动齿轮转动，从而带动从动齿轮转动，进而使承载台发生转动带动有源基站天线相对于安装环发生相对转动而形成检测球面。
本发明进一步设置为：所述探头为垂直交叉的双极化探头。
通过采用上述技术方案，双极化探头具有H极化和V极化两个极化状态，从而可以分别在两个极化状态下检测出两组数据。
本发明进一步设置为：所述驱动电机采用伺服电机。
通过采用上述技术方案，伺服电机的可控性更高，更加方便控制承载台转动的角度。
本发明的第二个目的在于提供一种有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试方法，具有可以得出远场ERP和EIS结果的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试方法，包括
步骤一：控制信号源向有源基站天线馈入多路可控信号以测量得出有源基站天线整个球面近场的幅度值AN和相位值PN的步骤；
步骤二：有源基站天线辐射和接收调制信号以测试出有源天线单元(AAU)纯粹整个球面的天线辐射近场EISN和ERPN的步骤；
步骤三：用ERPN、EISN替代幅度值AN，得到中间变量AN1、AN2，结合相位值PN进行近远场运算处理，得出ERP和EIS的远场幅度AF1和AF2，进而得出带幅度值的远场ERPF和EISF结果的步骤。
通过采用上述技术方案，先通过测量系统测量得出有源基站天线整个球面的幅度值和相位值，再通过现有技术的测试方法测得近场EISN和ERPN，并结合检测出的近场辐射幅度和相位数据AN和PN，即可得出ERP和EIS的远场幅度AF1和AF2，由于远场ERP和EIS与幅度是有线性相关性的，因而可以推算出远场的ERP和EIS数据。
本发明进一步设置为：步骤一包括
控制信号源向有源基站天线馈入多路可控信号以使多个辐射单元向三维空间馈入多路可控信号的步骤；
开关矩阵切换多个所述探头和极化，获得每个所述探头的测试数据并发送至所述信号分析器处理，以获取有源基站天线在一个切面内的辐射幅度和相位数据的步骤；
转动所述承载台以测试有源基站天线另一个切面内的辐射相位数据，进而获得整个球面近场幅射幅度和相位数据并标记为AN和PN的步骤。
通过采用上述技术方案，先获得有源基站天线一个切面内的辐射幅度和相位数据，再依次获得多个切面内的辐射幅度和相位数据，最终即可获得整个球面近场辐射幅度和相位数据。
本发明进一步设置为：还包括使用对比补偿方法对带幅度值的远场ERPF和EISF进行矫正的步骤。
通过采用上述技术方案，对比补偿方法是将金机的EIS和ERP值或者远场测试出的EIS和ERP值与使用该专利方法测得的远场ERPF和EISF进行对比，从而得出真实值与测试值之间的关系，对于金机来说，其远场EIS和ERP的幅度和相位等信息都是已知的，在金机数量足够的情况下，可得出真实值与测试之间的关系。
本发明进一步设置为：所述近远场运算处理包括
根据得出中间变量AN1，根据/>和PN得出中间变量ERP的远场幅度AF1，并最终根据/>得出带幅度值的远场ERPF结果的步骤；
以及根据得出中间变量AN2，根据/>和PN得出中间变量EIS的远场幅度AF2，并最终根据/>得出带幅度值的远场EISF结果的步骤。
通过采用上述技术方案，根据远场ERP和EIS与幅度的线性相关性，进而推算出远场ERP和EIS值。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
其一，通过多探头阵列装置、开关矩阵和信号分析器，即可检测出有源基站天线的整个球面近场的辐射相位数据，并通过信号处理软件，最终得出带幅度值的远场ERP和EIS数据，实现了近场空间范围进行得到原场ERP和EIS结果的全流程；
其二，通过伺服电机驱动承载台转动形成检测球面，可控性好、检测精度高；
其三，探头为垂直交叉的双极化探头，可以分别在两个极化状态下检测出两组数据。
附图说明
图1为实施例一中信号源向有源基站馈入多路信号的示意图；
图2为实施例一的结构示意图；
图3为实施例二的流程图。
图中：1、有源基站天线；11、辐射单元；2、信号源；31、安装环；32、探头；33、承载台；341、驱动电机；342、驱动齿轮；343、从动齿轮；4、开关矩阵；5、信号分析器；6、射频线缆；7、信号处理软件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型进行详细描述。
实施例一：一种有源基站天线三维空间辐射场相位的测试系统，如图1所示，有源基站天线1上具有多个辐射单元11，辐射单元11通过射频线缆6连接有信号源2，信号源2为辐射单元11提供多路可调相射频信号；
如图2所示，在有源基站天线1外设有多探头32阵列装置，多探头32阵列装置包括安装环31、多个探头32、承载台33和驱动装置；多个探头32通过射频接口固定在安装环31上，且绕安装环31的轴线方向均匀分布，有源基站天线1置于安装环31的中心位置，探头32采用垂直交叉的双极化探头32，其具有H极化和V极化两个极化状态，从而可以分别在两个极化状态下检测出两组数据；承载台33转动连接在转台底座上，且在承载台33位于安装环31的中心位置，承载台33的下表面上固定有抱柱，有源基站天线1放置在承载台33上，承载台33转动时即可带动有源基站天线1转动，通常会在测试系统外部设有暗室，转台底座设置暗室的底部；
如图2所示，驱动装置包括驱动电机341、驱动齿轮342和从动齿轮343，驱动电机341通过螺栓固定在有源基站内，驱动电机341采用伺服电机，控制更加方便且控制精度更高，驱动齿轮342套设在驱动电机341的转轴上，从动齿轮343套设在承载台33上且与主动齿轮相啮合，从而启动驱动电机341即可带动承载台33转动。
如图2所示，多探头32阵列装置通过线缆电性连接有开关矩阵4，开关矩阵4用于切换多探头32阵列装置中的多个探头32和极化，从而使各探头32均在H极化状态和V极化状态下检测一组数据；开关矩阵4通过线缆电性连接有信号分析器5，信号分析器5接收多个探头32检测出的测试数据，并进行运算和处理，得出近场辐射幅度和相位数据，通常信号分析器5采用网络分析仪；信号分析器5通过线缆电性连接有信号处理装置，信号处理装置内搭载有信号处理软件7，信号处理软件7将近场的ERP和EIS数据与测得的近场辐射幅度和相位数据进行综合运算和处理，最终得出带幅度值的远场ERP和EIS数据。
测试时，控制信号源2向有源基站天线1发射可控信号使有源基站天线1的辐射单元11向三维空间发射可控信号，随后利用开关矩阵4切换多探头32阵列装置中的多个探头32和极化，得出有源基站天线1一个切面内的数据，然后启动驱动电机341，驱动承载台33转动，进而带动有源基站天线1转动至另一个切面，转动的角度可以根据被测有源基站天线1所需的数据量来确定，再次通过开关矩阵4切换多个探头32和阵列，得出该切面内的数据，以此类推，直至安装环31转动形成一个完整的检测球面后，完成数据检测；各探头32检测到的数据发送至信号分析器5，信号分析器5进行运算和处理后即可得出近场辐射的幅度和相位数据，并发送至信号处理软件7，信号处理软件7将近场的ERP和EIS数据与测得的近场辐射幅度和相位数据进行综合运算和处理，最终得出带幅度值的远场ERP和EIS数据。
实施例二：一种有源基站天线三维空间辐射场相位的测试方法，如图3所示，包括步骤一：控制信号源2向有源基站天线1馈入多路可控信号，有源基站天线1接收到该信号后，有源基站天线的多个辐射单元11响应于该信号，向三维空间发送可控信号；
步骤二：通过开关矩阵4切换多个探头32和极化，依次使每个探头32的H极化和V极化检测一组并发送至信号分析器5，信号分析器5进行运算和处理得出有源基站天线1的一个切面内的辐射幅度和相位数据；
步骤三：控制驱动电机341带动承载台33转动，使有源基站天线1转动至另一个切面，测试该切面内的辐射幅度和相位数据并发送至信号分析器5，信号分析器5进行运算和处理得出有源基站天线1的该切面内的辐射幅度和相位数据，探头32检测出的数据以复数的形式传输至信号分析器5，根据该复数实部和虚部的数值，即可推算出幅度和相位值；如探头32测得的数据以a+bi的形式发送到信号分析器，经计算可得出幅度值相位值
步骤四：重复步骤三的测试过程，直至安装环31相对于有源基站天线1形成一个完成的检测球面，从而获得整个球面近场幅射幅度和相位数据，即获得近场ERP和EIS数据和检测出的辐射幅度和相位数据，通过该辐射幅度和相位数据即可推算出远场的ERP和EIS数据，从而能够更好的描述有源基站天线1的整体性能；
步骤五；通过现有的测试系统测试出有源天线单元(AAU)纯粹整个球面的天线辐射近场EISN和ERPN，作为计算远场ERP和EIS的参考数据；
步骤六：用ERPN、EISN替代幅度值AN，得到中间变量AN1、AN2，结合相位值PN进行近远场运算处理，由于远场ERP和EIS与幅度是具有线性相关性的，因而可以推算出远场的ERP和EIS数据，其运算步骤包括分别计算远场ERP和EIS的两个步骤：
计算远场ERP步骤为，先根据得出中间变量AN1，再根据/>和PN得出中间变量ERP的远场幅度AF1，最终根据/>得出带幅度值的远场ERPF结果；
计算远场EIS步骤为，先根据得出中间变量AN2，再根据/>和PN得出中间变量EIS的远场幅度AF2，最终根据/>得出带幅度值的远场EISF结果；
步骤七：得出远场ERPF和EISF后，通过对比补偿方法进行矫正，对比补偿方法是将金机的EIS和ERP值或者远场测试出的EIS和ERP值与使用该专利方法测得的远场ERPF和EISF进行对比，从而得出真实值与测试值之间的关系，对于金机来说，其远场EIS和ERP的幅度和相位等信息都是已知的，在金机数量足够的情况下，可得出真实值与测试之间的关系，经过矫正后，得出的远场ERPF和EISF值更加精确。
先获得有源基站天线一个切面内的辐射幅度和相位数据，再依次获得多个切面内的辐射幅度和相位数据，最终获得整个球面近场辐射幅度和相位数据，通过现有技术的测试方法测得近场EISN和ERPN，并结合检测出的近场辐射幅度和相位数据AN和PN，即可得出ERP和EIS的远场幅度AF1和AF2，由于远场ERP和EIS与幅度是有线性相关性的，因而可以推算出远场的ERP和EIS数据。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试方法，其特征在于，应用于有源基站天线三维空间远场辐射特性的测试系统，所述系统包括与有源基站天线(1)的多个辐射单元(11)电性连接用于提供多路可调相射频信号的信号源(2)、绕有源基站天线(1)四周呈环形分布且能够形成球形检测面的多探头(32)阵列装置、与所述多探头(32)阵列装置电性连接用于切换多个探头(32)的开关矩阵(4)、与所述开关矩阵(4)电性连接用于接收和处理所述多探头(32)阵列装置的测试数据并生成辐射幅度和相位数据的信号分析器(5)、以及搭载有用于对生成的辐射幅度和相位数据进行计算和处理以生成带幅度值的远场ERP和EIS数据的信号处理软件(7)的信号处理装置；所述多探头(32)阵列装置包括安装环(31)、设置在所述安装环(31)上多个探头(32)、转动连接在转台底座上用于放置有源基站天线(1)的承载台(33)、以及用于驱动所述承载台(33)转动以形成检测球面的驱动装置，有源基站天线(1)置于所述安装环(31)中心位置；
所述测试方法包括：
步骤一：控制信号源(2)向有源基站天线(1)馈入多路可控信号以测量得出有源基站天线(1)整个球面近场的幅度值AN和相位值PN的步骤；
步骤二：有源基站天线(1)辐射和接收调制信号以测试出有源天线单元(AAU)纯粹整个球面的天线辐射近场EISN和ERPN的步骤；
步骤三：用ERPN、EISN替代幅度值AN，得到中间变量AN1、AN2，结合相位值PN进行近远场运算处理，得出ERP和EIS的远场幅度AF1和AF2，进而得出带幅度值的远场ERPF和EISF结果的步骤；
其中，所述近远场运算处理包括
根据得出中间变量AN1，根据/>和PN得出中间变量ERP的远场幅度AF1，并最终根据/>得出带幅度值的远场ERPF结果的步骤；
以及根据得出中间变量AN2，根据/>和PN得出中间变量EIS的远场幅度AF2，并最终根据/>得出带幅度值的远场EISF结果的步骤；
步骤一包括
控制信号源(2)向有源基站天线(1)馈入多路可控信号以使多个辐射单元(11)向三维空间馈入多路可控信号的步骤；
开关矩阵(4)切换多个所述探头(32)和极化，获得每个所述探头(32)的测试数据并发送至所述信号分析器(5)处理，以获取有源基站天线(1)在一个切面内的辐射幅度和相位数据的步骤；
转动所述承载台(33)以测试有源基站天线(1)另一个切面内的辐射相位数据，进而获得整个球面近场辐射幅度和相位数据并标记为AN和PN的步骤；
还包括使用对比补偿方法对带幅度值的远场ERPF和EISF进行矫正的步骤。
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