TD-SCDMA智能天線技術(shù)要求和測(cè)試方法淺析

摘要　首先基于新頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《TD-SCDMA智能天線的技術(shù)要求和測(cè)試方法》，簡(jiǎn)要地介紹了標(biāo)準(zhǔn)的起草，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析，然后指出TD-SCDMA智能天線相對(duì)于傳統(tǒng)天線的技術(shù)特點(diǎn)，最后展望了下一步標(biāo)準(zhǔn)工作的內(nèi)容。

1、引言

截至2007年底，我國(guó)移動(dòng)通信用戶(hù)數(shù)已超過(guò)5.4億，投入使用的基站天線超過(guò)100萬(wàn)副，形成了一個(gè)超過(guò)百億元人民幣的市場(chǎng)。智能天線作為T(mén)D-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用，并將在第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以至于整個(gè)移動(dòng)通信領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)規(guī)范是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的一個(gè)關(guān)鍵因素。通信行業(yè)的重要特點(diǎn)是互聯(lián)互通，統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范是保障通信行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。同時(shí)，技術(shù)規(guī)范和測(cè)試驗(yàn)證是互相依存的，技術(shù)規(guī)范是測(cè)試驗(yàn)證的依據(jù)，同時(shí)技術(shù)規(guī)范的制定要以實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)作為主要參考。技術(shù)規(guī)范的生命力要依靠測(cè)試驗(yàn)證的科學(xué)性、公正性來(lái)保障。

信息產(chǎn)業(yè)部于2007年9月29日正式頒布了標(biāo)準(zhǔn)：YD/T 1710.1-2007《TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)智能天線第1部分：天線》。該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合我國(guó)TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)和體制要求，以及目前國(guó)內(nèi)各TD-SCDMA系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商對(duì)天線指標(biāo)的要求，并結(jié)合TD-SCDMA智能天線在研發(fā)、生產(chǎn)和試驗(yàn)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際情況進(jìn)行編寫(xiě)。

TD-SCDMA智能天線系統(tǒng)由天線智能控制（包括核心自適應(yīng)算法）和天線2部分組成，以實(shí)現(xiàn)方向圖的波束成形及跟蹤性能。已頒布的是標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，僅適用于系統(tǒng)中的天線部分。下面對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)進(jìn)行解毒和說(shuō)明。

2、智能天線分類(lèi)和工作頻段劃分

智能天線可粗略地分為定向智能天線陣和全向智能天線陣。定向智能天線又包括8列單元、6列單元和4列單元的情況，全向陣也包括8列單元和6列單元。這幾種情況都有可能在實(shí)際中用到，其指標(biāo)也有差別。因此，綜合歸納，該標(biāo)準(zhǔn)將天線分成5類(lèi)：定向智能天線陣（8列單元）、定向智能天線陣（6列單元）、定向智能天線陣（4列單元）、全向智能天線陣（8列單元）和全向智能天線陣（6列單元）。

根據(jù)國(guó)家對(duì)TD-SCDMA頻率資源的規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)劃分了1880～1920 MHz、2010～2025 MHz、2300～2400 MHz共3個(gè)頻段。目前在TD-SCDMA系統(tǒng)的試驗(yàn)網(wǎng)中僅采用了2010～2025 MHz頻段，其余頻段作為備選，故標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)2300～2400 MHz頻段的指標(biāo)進(jìn)行定義。

3、結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)指標(biāo)分類(lèi)

智能天線與常規(guī)移動(dòng)通信基站天線不同，它增加了對(duì)天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)電路和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)功能，同時(shí)，天線的方向圖輻射特性復(fù)雜。考慮到這些特殊性和復(fù)雜性，并為了方便歸納、統(tǒng)計(jì)和檢測(cè)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所有電氣指標(biāo)分為結(jié)構(gòu)參數(shù)、校準(zhǔn)參數(shù)、電路參數(shù)和性能參數(shù)。

結(jié)構(gòu)參數(shù)：描述整個(gè)天線的外觀特性且不適合歸納到其他類(lèi)型的參數(shù)，如陣列形式、極化方式、端口數(shù)目、接頭類(lèi)型、饋電位置等。

校準(zhǔn)參數(shù)：描述與校準(zhǔn)有關(guān)的電路參數(shù)，如校準(zhǔn)通道的耦合度和定向性、各校準(zhǔn)通道的幅度/相位偏差、校準(zhǔn)端口的輸入電壓駐波比等。

電路參數(shù)：描述智能天線陣列的電路參數(shù)，包括各輻射端口的輸入電壓駐波比、有源電壓駐波比、隔離度、天線電下傾角范圍、精度、功率容限等。

性能參數(shù)：描述智能天線陣列的有源輸入回波損耗，各種輻射方向圖特性，包括增益、波束寬度、前后比、副瓣電平等，其中智能天線陣列的方向圖按照實(shí)際應(yīng)用來(lái)分類(lèi)，又可細(xì)分為單元波束、廣播波束和業(yè)務(wù)波束3類(lèi)。

4、校準(zhǔn)參數(shù)定義

在校準(zhǔn)參數(shù)中，校準(zhǔn)端口至各輻射端口的耦合度以及校準(zhǔn)通道耦合方向性2項(xiàng)參數(shù)由設(shè)設(shè)來(lái)保證，實(shí)際系統(tǒng)中難以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。之所以要引導(dǎo)和規(guī)定其指標(biāo)范圍，是由于如果耦合度指標(biāo)太強(qiáng)，則增加了系統(tǒng)的插入損耗；如果太弱，則抗干擾能力降低，容易引起校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)試的誤差。方向性指標(biāo)是為保證天線輻射和天線校準(zhǔn)，并且彼此之間不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾而影響系統(tǒng)性能。

校準(zhǔn)端口至各輻射端口的幅度/相位最大偏差定義指標(biāo)既考慮到系統(tǒng)對(duì)天線硬件的精度要求，又考慮到天線硬件電路實(shí)現(xiàn)的可能性。校準(zhǔn)端口電壓駐波比指標(biāo)的定義也是如此。

5、有源回波損耗、單元駐波比及相鄰端口隔離度參數(shù)定義

智能天線系統(tǒng)在實(shí)際工作狀態(tài)下各列單元饋電幅度和相位是任意可變的，會(huì)引起各輻射端口的有源回波損耗的變化。以定向智能天線為例：在±60°掃描角內(nèi)，由于單元饋電幅度和相位的變化，有源回波損耗應(yīng)該有一個(gè)指標(biāo)予以限制，否則，某些掃描角度上或者某些波束狀態(tài)下嚴(yán)重失配的有源回波損耗將造成這些角度的波束掃描盲點(diǎn)，這在雷達(dá)自適應(yīng)相控陣天線中已經(jīng)得到證明。根據(jù)智能天線系統(tǒng)的要求并結(jié)合天線設(shè)計(jì)的可能性，有源回波損耗指標(biāo)定在-10 dB較為合適。由此，各輻射端口的無(wú)源電壓駐波比和端口間的隔離度指標(biāo)即有了一個(gè)相關(guān)的定義，因?yàn)檫@2個(gè)指標(biāo)的大小決定了有源回波損耗的指標(biāo)，如果其中有一個(gè)偏大，另一個(gè)必須很小才行。如果2個(gè)指標(biāo)都偏大，有源回波損耗的指標(biāo)實(shí)際上不能通過(guò)。根據(jù)其相互關(guān)系，各輻射端口的電壓駐波比定為1.5，相鄰輻射端口之間隔離度定為20 dB較為合理。這些指標(biāo)也是衡量各列單元之間的相關(guān)性以及智能天線自適應(yīng)波束的準(zhǔn)確成形的依據(jù)。

6、垂直面波束參數(shù)定義

根據(jù)第二代基站天線在應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)全系列天線進(jìn)行了完整的賦形天線的定義，對(duì)上旁瓣抑制和下零點(diǎn)填充進(jìn)行了規(guī)定，提高了智能天線的性能，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化提供了有力的支持。在第二代天線標(biāo)準(zhǔn)中作為參考值的垂直面波束寬度在該標(biāo)準(zhǔn)中成了強(qiáng)制的指標(biāo)，定義為≥6.5°。

7、單元波束定義

單元波束參數(shù)分為水平面半功率波束寬度和單元波束增益，它們?cè)诙ㄏ蛱炀�和全向天線的情況下有所不同。

對(duì)于定向智能天線，下行的業(yè)務(wù)窄波束和廣播波束的實(shí)現(xiàn)都是由多個(gè)單元波束合成而來(lái)，上行的自適應(yīng)波束也是對(duì)多個(gè)單元波束進(jìn)行相關(guān)加權(quán)后形成的。由于定向智能天線典型覆蓋120°扇區(qū)，因此，單元波束方向圖的水平面半功率波束寬度應(yīng)該有適當(dāng)?shù)姆秶�限制。�?dāng)波束寬度偏窄時(shí)，其±60°邊緣的電平下降過(guò)多，造成業(yè)務(wù)波束掃描到±60°邊緣時(shí)的增益也下降過(guò)多，同樣，綜合的廣播波束在±60°邊緣也呈現(xiàn)更低的電平；當(dāng)波束寬度偏寬時(shí)，其±60°邊緣的電平下降過(guò)少，單元波束更多能量進(jìn)入相鄰物理扇區(qū)產(chǎn)生額外干擾，同時(shí)單元波束的增益降低引起業(yè)務(wù)波束掃描和廣播波束增益的同步降低。綜合來(lái)看，單元波束的水平面半功率寬度應(yīng)在90°～120°之間，擬定為100°±15°，如此可以包含更寬范圍的系統(tǒng)對(duì)智能天線的要求。其中±15°的容差比較大，因?yàn)橐�考慮到物理邊緣單元列的方向圖邊緣效應(yīng)。相應(yīng)地，根據(jù)限定的波束寬度，單元的波束增益也應(yīng)該在一個(gè)合理的范圍，并不是越高越好，擬定為≥14.5 dBi。

8、廣播波束定義

廣播波束參數(shù)在定向天線和全向天線的情況下有所不同：前者分為水平面半功率波束寬度、廣播波束增益、波束在±60°邊緣的功率電平下降；后者分為廣播波束的平均增益和水平面方向圖的圓度指標(biāo)。

對(duì)于定向智能天線，下行的廣播波束主要情況為覆蓋120°的角域，其水平面半功率波束寬度在65°為宜，而波束在±60°邊緣的功率電平下降在10 dB為宜，這樣既不至于造成覆蓋盲區(qū)，又可以避免對(duì)相鄰物理扇區(qū)過(guò)多的信號(hào)重疊。根據(jù)水平面半功率波束寬度即可以合理地確定其廣播波束增益。此外又增加了30°、90°和100°的廣播波束寬度作為補(bǔ)充。

對(duì)于全向智能天線，下行的廣播波束需要覆蓋360°的角域，因此希望各列單元等幅等相饋電，以實(shí)現(xiàn)全向輻射的廣播波束，根據(jù)系統(tǒng)的要求，其水平面方向圖波束的圓度指標(biāo)擬定為±1 dB，由于水平面方向圖±1 dB的起伏，廣播波束的增益也有起伏，考慮這一因素，擬定廣播波束的平均增益為＞8.5 dBi。

9、業(yè)務(wù)波束定義

業(yè)務(wù)波束參數(shù)在定向天線和全向天線的情況下有所不同，前者覆蓋120°空域，后者覆蓋360°空域。

定向天線的業(yè)務(wù)波束在掃描時(shí)，隨著掃描角的增大，其增益越來(lái)越低，且波束寬度越來(lái)越寬，原因在于單元方向圖波束離開(kāi)陣面法向時(shí)的電平自然下降，因此需要限定在-60°～+60°整個(gè)波束掃描角范圍內(nèi)的波束增益、波束寬度及副瓣電平。另外，波束掃描的原理來(lái)自相控陣天線原理，它適用于陣列尺寸為無(wú)限大的情況，對(duì)于有限陣列，目前具體為8單元、6單元和4單元，波束實(shí)際掃描到±60°時(shí)，增益下降很多，其下降的結(jié)果超出了波束掃描未到±60°但趨于±60°時(shí)相應(yīng)指向的波束在±60°的實(shí)際增益電平，因此，根據(jù)理論、仿真以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，8單元陣列波束實(shí)際掃描到±55°范圍為好，±（55°～60°）的增益電平直接從±55。波束上讀�。欢�4單元陣列波束實(shí)際掃描到±45°范圍為好，±（45°～60°）的增益電平直接從±45°波束上讀取。由此，根據(jù)掃描原理可定出相應(yīng)的指標(biāo)。

全向天線的業(yè)務(wù)波束在掃描時(shí)，則主要需要合理地規(guī)定其增益和半功率波束寬度指標(biāo)。

上述幾點(diǎn)體現(xiàn)出TD-SCDMA智能天線在當(dāng)前應(yīng)用場(chǎng)景下的技術(shù)特點(diǎn)，隨著TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)和智能天線技術(shù)的發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)還可能做一些技術(shù)上的修訂，以適應(yīng)應(yīng)用的需求。今后該部分標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作應(yīng)該會(huì)包括以下幾個(gè)方面：

●由于應(yīng)用上的考慮，暫時(shí)沒(méi)有2300～2400 MHz頻段的指標(biāo)定義，在商用逐步深入，技術(shù)日漸成熟的基礎(chǔ)上，增加2300～2400 MHz頻段的指標(biāo)是必然的；

●雙極化天線是本標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有涉及到的，業(yè)界對(duì)于雙極化的研究并沒(méi)有停止過(guò)，當(dāng)研究成果在網(wǎng)絡(luò)得到一定程度上的驗(yàn)證時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)添加相應(yīng)的內(nèi)容；

●無(wú)論是技術(shù)指標(biāo)定義還是參數(shù)值方面，小型化天線均有較大的變化，隨著應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)天線小型化的要求，標(biāo)準(zhǔn)化的工作也將隨之開(kāi)展。

現(xiàn)在頒布是標(biāo)準(zhǔn)的第一部分天線部分，標(biāo)準(zhǔn)第二部分天線智能控制部分的起草工作正在緊張的準(zhǔn)備中。天線智能控制部分是影響智能天線技術(shù)特點(diǎn)發(fā)揮的關(guān)鍵，也是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作的難點(diǎn)。這部分標(biāo)準(zhǔn)涉及的指標(biāo)不會(huì)太多，主要是天線的跟蹤性能、抗干擾性能等方面，這是影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，所以在指標(biāo)的定義和參數(shù)的確定方面是需要業(yè)界花大力氣進(jìn)行研究和討論。

該標(biāo)準(zhǔn)包含國(guó)內(nèi)相關(guān)單位的技術(shù)創(chuàng)新和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是我國(guó)移動(dòng)通信天線及相關(guān)行業(yè)集體智慧的結(jié)晶，必將加速?lài)?guó)內(nèi)智能天線的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。隨著產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)可能影響到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，這樣能極大地提高國(guó)內(nèi)企業(yè)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，并支撐我國(guó)科技創(chuàng)新，由電信大國(guó)走向電信強(qiáng)國(guó)。