CN115102635A - 一种空口测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空口测试技术领域，涉及一种空口测试系统，包括转台和竖直环，转台下方设有支撑结构，竖直环贯穿在支撑结构中；竖直环上非均匀布设有若干个探头；探头连接有数据处理器，数据处理器内置有总辐射功率计算法。还公开了测试方法，通过控制器控制转台以设定的方位角间隔旋转，竖直环上的探头依次采集该探头位置上两个极化方向的电场；直到转台旋转度数达到180°；在数据处理器中，根据已采样点数据进行插值，将竖直环底端缺失探头位置的插值结果记录为相应的采样值；将所有采样数据输入数据处理器中，计算得到待测设备总辐射功率值。在采样点数目一致的情况下，本发明能得到更高的测试精度，不需要增加任何测试成本。
Description
技术领域
本发明属于空口测试技术领域，涉及一种空口测试系统及方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，机器对机器和物联网技术已经广泛应用于各个领域(制造、医疗、运输、教育、农业等)，不同尺寸、不同功能、不同工作频段的无线通信设备出现在人们的日常生活中，例如汽车GPS系统、智能手机、智慧物流系统、可穿戴健康监测系统、智能家居系统等。随着物联网技术的蓬勃应用，高效、准确的空口(over-the-airing，OTA)测试一直是一个具有重要价值的研究领域。目前，多探头暗室和混响室由于效率高，是最受欢迎的空口测试方法。美国无线通信和互联网协会(Cellular Telecommunications andInternet Association，CTIA)将暗室测量方法定义为标准空口测试方法之一。
暗室通过吸波材料消除电波反射，模拟开阔场测试环境，并通过屏蔽室消除外界电磁波信号对测试的干扰。通过在暗室中安装分布有多个探头的竖直环可以有效提高测试效率。这种多探头暗室已成为目前最常见的一种通用空口测试方法。在空口测试中，总辐射功率(Total Radiated Power，TRP)是衡量无线设备信号发射能力最核心的指标之一，因此改进总辐射功率的测试方法尤为重要。
传统多探头暗室主要由三部分组成，分别是吸波材料、竖直环和转台。其中，吸波材料安装在暗室墙壁或其他可能产生无关反射的地方用以降低测试时的电波反射，形成开阔场测试环境；竖直环因为竖直安装在暗室中央而得名，上面均匀分布有NP个探头，一般情况下NP＝23(即探头之间的角度间隔为15°)。通常竖直环底端不安装探头，但缺失这一点数据和竖直环顶部采样点在传统方法中对后续总辐射功率计算没有影响；转台用于在测试过程中放置待测设备，控制转台及竖直环配合采样即可获得包围整个待测设备的球面上需要的采样点。
在测试过程中，将待测设备放置在转台上，将其与基站仿真器相连。利用基站仿真器控制待测设备天线在整个测试期间工作在最大功率上。然后控制竖直环上的探头依次测量相应位置的两个极化方向上的电场。接着控制转台以设定角度(一般设置为15°)旋转，并在转台新位置上重复竖直环采样的过程。重复这一过程直到获得球面上的所有采样点，在最常见的具有一个竖直环的测试系统中，转台旋转180°即可达到对整个球面的采样。最后利用采样数据计算各采样点对应的等效各向同性辐射功率(Equivalent IsotropicRadiated Power，EIRP)，并对采用公式对所有数据进行平均即可得到待测设备的总辐射功率。
虽然上述测试方法已经写入CTIA标准，但这种总辐射功率测试计算方法只有在设定转台旋转角度和竖直环上探头之间间隔角度(即采样间隔)很小时才能得到比较高的精度。而缩小采样间隔，尤其是缩小转台旋转角度会极大增加采样时间，导致采样成本的升高。同时，如果缩小竖直环上探头之间的距离就需要增加竖直环上探头的数目，这会导致测试系统本身的体积变大，并增加整个系统的安装成本。以上问题使得改进空口测试系统与方法的需求十分紧迫。同时，因为这种标准测试方法已经广泛应用于无线设备空口测试中，提供的改进方法将会具有巨大的市场。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空口测试系统及方法，解决了现有测试方法存在的成本高的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种空口测试系统，包括暗室，暗室内设有转台和竖直环，转台下方设有支撑结构，竖直环贯穿在支撑结构中，待测设备放置在在转台上方；
竖直环上非均匀布设有若干个探头；
探头连接有数据采集器，数据采集器连接有数据处理器，数据处理器内置有总辐射功率计算法；
转台连接有控制器。
进一步，暗室内壁上包覆有吸波材料层。
进一步，在竖直环上布设有NP个探头，竖直环底端位置处探头不安装。
进一步，探头位置安装误差小于0.5°。
进一步，总辐射功率计算法的计算公式为：
其中，θi表示该采样点在球坐标系中的仰角坐标，φj表示该采样点在球坐标系中的方位角坐标；仰角从0到π，方位角从0到2π；
N＝π/Δθ+1，N代表包括顶端探头和底端缺失探头在内的竖直环一侧探头个数；
M＝2π/Δφ，EIRPθ(θi,φj)和EIRPφ(θi,φj)分别为在(θi,φj)采样点上两个极化方向的等效各向同性辐射功率；w(θi)为权重系数；Δθ为仰角间隔；Δφ为方位角间隔。
进一步，权重系数w(θi)的表达式为：
其中，PN-1表示N-1阶勒让德方程。
本发明还公开了一种快速空口测试方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测设备放置在暗室中的转台上，使待测设备处于竖直环的中心位置，将待测设备与基站仿真器相连，控制待测设备在整个测试过程中以最大功率发射信号；
步骤2：通过控制器控制转台以设定的方位角间隔旋转，竖直环上的探头依次采集该探头位置上两个极化方向的电场，并存储于数据处理器中；
步骤3：重复步骤2，直到转台旋转度数达到180°；
步骤4：在数据处理器中，根据已采样点数据进行插值，将竖直环底端缺失探头位置的插值结果记录为相应的采样值，得到包围待测设备球面上所有要求的采样点；
步骤5：将所有采样数据输入数据处理器中，计算得到待测设备总辐射功率值。
进一步，步骤2中，在数据处理器中根据能流密度计算公式分别计算得到θ极化方向和φ极化方向能流密度；
利用θ极化方向和φ极化方向能流密度，根据EIRP计算公式计算得θ极化方向和φ极化方向的EIRP，分别为EIRPθ(θi,φj)和EIRPφ(θi,φj)，将结果存储于数据处理器中。
进一步，EIRP计算公式：EIRP(θ,φ)＝Sr(r,θ,φ)4πr2，其中r表示测试球面半径。
进一步，能流密度计算公式Sr≈|Et|2/Z0，其中Et表示某一极化方向上的切向电场，Z0表示自由空间阻抗。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的高精度空口测试方法，通过结合数值积分理论，改进了传统方法中采用线性方法估计积分值带来的弊端，采用了更符合现实空口测试情况的非线性方法。在采样点数目一致的情况下，本发明所述方法能得到更高的测试精度，而这不需要增加任何测试成本。本发明所述的高精度快速空口测试方法可选取任意数量探头组成竖直环，相较于现有方法更加灵活。传统方法也可以实现任意N个探头，但N的选取一般是要能够除尽360，不然会有舍入导致的位置误差，因此限制了常见探头数种类，也缺乏对安装位置舍入误差的研究。本方法根据任意N值计算其相应的位置分布，虽然也存在舍入误差，但经过最大值为0.5度的探头安装误差测试，发现不影响方法性能；这一研究保证只要安装位置误差小于0.5度就不会对算法性能产生明显影响。采用本发明所述方法建设空口测试系统时，可以根据系统成本与测试需求等多方面更灵活地选择规划；本发明所述的高精度快速空口测试方法采用程序控制，测试过程简单、高效，无需人工干预，大大提升了空口测试效率。
进一步，在数据处理器中，根据已采样点数据进行插值，将竖直环底端缺失探头位置的插值结果记录为相应的采样值，得到包围待测设备球面上所有要求的采样点。本发明所述的高精度快速空口测试方法包含现有方法计算总辐射功率时所忽视的竖直环上下极点位置探头采样数据，更好地利用已有的测试信息，进一步提高测试精度。
附图说明
图1是本发明实施例采用的改进多探头竖直环暗室的示意图。
图2是本发明实施例采用的探头在竖直环上的分布位置示意图。
图3是本发明实施例采用探头非均匀分布竖直环测试误差与现有方法测试误差对比。
其中，1为竖直环，2为待测设备，3为转台，4为支撑结构，5为吸波材料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“水平”“竖直”是基于附图所示装置或部件的方位和位置关系，仅是为了更好的描述本发明，而不是要求所示的装置、部件或设备必须具有该特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。
以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种空口测试系统，包括暗室，暗室内设有转台和竖直环，转台下方设有支撑结构，竖直环贯穿在支撑结构中，待测设备放置在在转台上方；竖直环上非均匀布设有若干个探头；探头连接有数据采集器，数据采集器连接有数据处理器，数据处理器内置有总辐射功率计算法；转台连接有控制器。暗室内壁上包覆有吸波材料层。
本发明所述的空口测试系统中采用改进后的多探头竖直环，当选取探头数量与现有总辐射功率测试中探头数量(即NP＝24)一致时，竖直环上探头分布如图2所示，其中实心圆点表示探头在竖直环上的位置分布，具体数值为：0°，17.5698°，32.1831°，46.6739°，61.1218°，75.5669°,90°，104.4331°，118.8782°，133.3261°，147.8169°，162.4302°，180°,197.5698°，212.1831°，226.6739°，241.1218°，255.5669°，270°，284.4331°，298.8782°，313.3261°，327.8169°，342.4302°(实际安装过程中探头位置误差小于0.5度即可，这在当前工业标准下很容易做到)。其中0°位置表示竖直环顶端；180°表示竖直环底端，此处因支撑结构等原因可以不安装探头。
本发明实施例的测试频段为3.5GHz，采用一种先进手机天线作为待测设备。为验证所述的快速空口测试方法的有效性，本发明实施例对多探头暗室中分别采用支持现有计算方法的探头之间角度间隔相等的竖直环和支持本发明所有探头非均匀分布的改进多探头竖直环进行测试：
多探头暗室中采用支持现有计算方法的探头之间角度间隔相等的多探头竖直环时，按照前述传统标准测试方法进行测试。本轮实验中设置多探头竖直环上探头之间角度间隔和转台旋转角度间隔(即仰角间隔Δθ与方位角间隔Δφ)同为5°。本轮实验得到第一组采样数据，作为参考测试，并以该组实验得到的总辐射功率值作为待测设备的总辐射功率的参考值。
选择5°间隔采样时，采样点多，精度高，传统方法和本发明方法误差很小，所以以根据这组5°间隔采样点计算得到的总辐射功率值为参考值。
设置多探头竖直环上探头之间角度间隔和转台旋转角度间隔(即仰角间隔Δθ与方位角间隔Δφ)同为45°，30°，15°，10°，分别按照传统标准测试方法和本发明的测试方法进行实验，形成四组对照实验。
多探头暗室中采用本发明改进的多探头竖直环时，为形成对照，设置转台旋转的方位角间隔Δφ为45°，30°，15°，10°，改进竖直环上探头数量与探头等间隔(Δθ＝45°，30°，15°，10°)分布情况下数量一致，即：探头数量NP＝8,12,24,36。探头安装位置至关重要，故在此专门列出每种情况对应的探头分布，其中0°表示竖直环顶端位置，180°表示竖直环底端位置。
当NP＝8时，探头在改进多探头竖直环上角度位置为：0°,49.1069°，90°，130.8931°，180°，229.1069°，270°，310.8931°；
当NP＝12时，探头在改进多探头竖直环上角度位置为：0°，33.8756°，62.0403°，90°，117.9597°，146.1244°，180°，219.8756°，242.0403°，270°，297.9597°，326.1244°；
当NP＝24时，探头在改进多探头竖直环上角度位置为：0°，17.5698°，32.1831°，46.6739°，61.1218°，75.5669°，90°，104.4331°，118.8782°，133.3261°，147.8169°，162.4302°，180°，197.5698°，212.1831°，226.6739°，241.1218°，255.5669°，270°，284.4331°，298.8782°，313.3261°，327.8169°，342.4302°；
当NP＝36时，探头在改进多探头竖直环上角度位置为：0°，11.8608°，21.7282°，31.5208°，41.2839°，51.0273°，60.7744°，70.5156°，80.2618°，90°，99.7384°，109.4844°，119.2256°，128.9727°，138.7161°，148.4792°，158.2717°，168.1392°，180°，191.8608°，201.7282°，211.5208°，221.2839°，231.0273°，240.7744°，250.5156°，260.2618°，270°，279.7384°，289.4844°，299.2256°，308.9727°，318.7161°，328.4792°，338.2717°，348.1392°；
按照当前工业标准保证探头位置安装误差小于0.5°即可。按照前述改进方法进行测试，得到四组实验数据。所述的实验数据为相应采样点上两个极化方向的远场等效各向同性辐射功率的和。
将第一轮实验中的第一组测试数据(即5°间隔测试数据)通过现有标准方法总辐射功率计算公式(1)算得相应的总辐射功率，并以该组总辐射功率值作为待测设备的总辐射功率的参考值，用以计算不同方法的误差。
现有标准方法总辐射功率计算公式如公式(1)：
其中，M＝2π/Δφ，N＝π/Δθ+1，N＝NP/2+1代表包括顶端探头和底端缺失探头在内一侧的探头个数；θi表示该采样点在球坐标系中的仰角坐标，φj表示该采样点在球坐标系中的方位角坐标；计算中习惯于仰角从0到π，方位角从0到2π。
EIRPθ(θi,φj)和EIRPφ(θi,φj)分别为在(θi,φj)采样点上两个极化方向的等效各向同性辐射功率；Δθ为仰角间隔；Δφ为方位角间隔。
基于所述空口测试系统的一种快速空口测试方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测设备放置在暗室中的转台上，使待测设备处于竖直环的中心位置，将待测设备与基站仿真器相连，控制待测设备在整个测试过程中以最大功率发射信号；
步骤2：通过控制器控制转台以设定的方位角间隔旋转，竖直环上的探头依次采集并记录该探头位置上两个极化方向的电场并存储于数据处理器中。
在数据处理器中根据能流密度计算公式分别计算得到θ极化方向和φ极化方向能流密度；
所述能流密度计算公式Sr≈|Et|2/Z0，其中Et表示某一极化方向上的切向电场，Z0表示自由空间阻抗，为常数。
利用能流密度根据EIRP计算公式计算得到θ极化方向和φ极化方向的EIRP，即EIRPθ(θi,φj)和EIRPφ(θi,φj)，将结果记录于数据处理器中，用于接下来的计算。
EIRP计算公式：EIRP(θ,φ)＝Sr(r,θ,φ)4πr2，其中r表示测试球面半径。
步骤3：重复步骤2，直到转台旋转度数达到180°；
步骤4：在数据处理器中，根据已采样点数据进行插值，将竖直环底端缺失探头位置的插值结果记录为相应的采样值，得到包围待测设备球面上要求的采样点。
传统方法计算公式不会用到顶端和底端的探头采样值，但为了三维图像展示的完整性也会对底端进行插值。本方法计算公式中会用到顶端和底端的探头采样值。在对整个球面采样完成后，利用底端周围其他采样点，采用三次样条插值方法即可得到需要的采样值。
步骤5：将所有采样数据输入数据处理器中，计算得到待测设备总辐射功率值。
将第二轮实验中四组测试数据通过公式(1)算得相应的总辐射功率，根据参考值计算相应误差。
将采用本发明所述的探头非均匀分布的竖直环测得的四组数据通过公式(2)算得相应的总辐射功率，并根据参考值计算相应误差。将现有标准方法误差与改进方法误差绘制在同一张图上，如图3所示。图3中横坐标表示采样点总数NS＝(N-2)M+2分别是26，62，266，614。
其中，θi为本发明改进后的多探头竖直环上得到该采样值得探头的角度坐标，N为本发明所述改进多探头竖直环上包括顶端探头和底端缺失探头在内一侧探头总数，N＝NP/2+1，M＝2π/Δφ，EIRPθ(θi,φj)和EIRPφ(θi,φj)分别为在(θi,φj)采样点上两个极化方向的等效各向同性辐射功率。
w(θi)为权重系数，表达式为：
其中，PN-1表示N-1阶勒让德方程。
当NP＝8，即NS＝26时，均匀间隔采样数据如表1所示，非均匀间隔采样数据如表2所示，表中第一列表示球坐标系下该采样点的方位角坐标，第一行表示球坐标系下该采样点的仰角坐标，表中相应数据表示该采样点处两个极化方向的等效各向同性辐射功率之和。根据第一轮实验中的第一组测试数据(即5°间隔测试数据)数据计算得待测天线总辐射功率参考值为0.8987瓦。计算可得，传统方法误差为1.1004dB，本发明所述方法误差为0.5314dB，即图3中NS＝26处数据点。
表1 均匀间隔采样时，总采样点数为26时各采样点两个极化方向等效各向同性辐射功率值(单位：瓦)
表2 非均匀间隔采样时，总采样点数为26时各采样点两个极化方向等效各向同性辐射功率值(单位：瓦)
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空口测试系统，其特征在于，包括暗室，暗室内设有转台和竖直环，转台下方设有支撑结构，竖直环贯穿在支撑结构中，待测设备放置在在转台上方；
竖直环上非均匀布设有若干个探头；
探头连接有数据采集器，数据采集器连接有数据处理器，数据处理器内置有总辐射功率计算法；
转台连接有控制器。
2.根据权利要求1所述的一种空口测试系统，其特征在于，暗室内壁上包覆有吸波材料层。
3.根据权利要求1所述的一种空口测试系统，其特征在于，在竖直环上布设有NP个探头，竖直环底端位置处探头不安装。
4.根据权利要求1所述的一种空口测试系统，其特征在于，探头位置安装误差小于0.5°。
5.根据权利要求1所述的一种空口测试系统，其特征在于，总辐射功率计算法的计算公式为：
其中，θi表示该采样点在球坐标系中的仰角坐标，φj表示该采样点在球坐标系中的方位角坐标；仰角从0到π，方位角从0到2π；
N＝π/Δθ+1，N代表包括顶端探头和底端缺失探头在内的竖直环一侧探头个数；
M＝2π/Δφ，EIRPθ(θi,φj)和EIRPφ(θi,φj)分别为在(θi,φj)采样点上两个极化方向的等效各向同性辐射功率；w(θi)为权重系数；Δθ为仰角间隔；Δφ为方位角间隔。
6.根据权利要求5所述的一种空口测试系统，其特征在于，权重系数w(θi)的表达式为：
其中，PN-1表示N-1阶勒让德方程。
7.基于权利要求1-6任意一项所述空口测试系统的一种快速空口测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待测设备放置在暗室中的转台上，使待测设备处于竖直环的中心位置，将待测设备与基站仿真器相连，控制待测设备在整个测试过程中以最大功率发射信号；
步骤2：通过控制器控制转台以设定的方位角间隔旋转，竖直环上的探头依次采集该探头位置上两个极化方向的电场，并存储于数据处理器中；
步骤3：重复步骤2，直到转台旋转度数达到180°；
步骤4：在数据处理器中，根据已采样点数据进行插值，将竖直环底端缺失探头位置的插值结果记录为相应的采样值，得到包围待测设备球面上所有要求的采样点；
步骤5：将所有采样数据输入数据处理器中，计算得到待测设备总辐射功率值。
8.根据权利要求7所述空口测试系统的快速空口测试方法，其特征在于，步骤2中，在数据处理器中根据能流密度计算公式分别计算得到θ极化方向和φ极化方向能流密度；
利用θ极化方向和φ极化方向能流密度，根据EIRP计算公式计算得θ极化方向和φ极化方向的EIRP，分别为EIRPθ(θi,φj)和EIRPφ(θi,φj)，将结果存储于数据处理器中。
9.根据权利要求8所述空口测试系统的快速空口测试方法，其特征在于，EIRP计算公式：EIRP(θ,φ)＝Sr(r,θ,φ)4πr2，其中r表示测试球面半径。
10.根据权利要求8所述空口测试系统的快速空口测试方法，其特征在于，能流密度计算公式Sr≈|Et|2/Z0，其中Et表示某一极化方向上的切向电场，Z0表示自由空间阻抗。
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