TD-SCDMA智能天线技术要求和测试方法浅析

1、TD-SCDMA智能天线技术要求和测试方法浅析2008年6月23日 09:16 电信技术 作 者：贺鹏 李伟1、引言截至2007年底，我国移动通信用户数已超过5.4亿，投入使用的基站天线超过100万副，形成了一个超过百亿元人民币的市场。智能天线作为TD-SCDMA系统的关键技术，得到了广泛应用，并将在第三代移动通信网络以至于整个移动通信领域得到更广泛的应用。技术规范是产业化进程的一个关键因素。通信行业的重要特点是互联互通，统一的技术规范是保障通信行业健康持续发展的关键。同时，技术规范和测试验证是互相依存的，技术规范是测试验证的依据，同时技术规范的制定要以实际测试数据作为主要参考。技术规范的生命

2、力要依靠测试验证的科学性、公正性来保障。信息产业部于2007年9月29日正式颁布了标准：YD/T1710.1-2007TD-SCDMA数字蜂窝移动通信网智能天线第1部分：天线。该标准结合我国TD-SCDMA标准和体制要求，以及目前国内各TD-SCDMA系统设备供应商对天线指标的要求，并结合TD-SCDMA智能天线在研发、生产和试验网应用的实际情况进行编写。TD-SCDMA智能天线系统由天线智能控制（包括核心自适应算法）和天线2部分组成，以实现方向图的波束成形及跟踪性能。已颁布的是标准的第一部分，仅适用于系统中的天线部分。下面对该标准的重点进行解毒和说明。2、智能天线分类和工作频段划分智能天线可

3、粗略地分为定向智能天线阵和全向智能天线阵。定向智能天线又包括8列单元、6列单元和4列单元的情况，全向阵也包括8列单元和6列单元。这几种情况都有可能在实际中用到，其指标也有差别。因此，综合归纳，该标准将天线分成5类：定向智能天线阵（8列单元）、定向智能天线阵（6列单元）、定向智能天线阵（4列单元）、全向智能天线阵（8列单元）和全向智能天线阵（6列单元）。 根据国家对TD-SCDMA频率资源的规定，该标准划分了18801920MHz、20102025MHz、23002400MHz共3个频段。目前在TD-SCDMA系统的试验网中仅采用了20102025 MHz频段，其余频段作为备选，故标准中未对23

4、002400 MHz频段的指标进行定义。3、结构和电路参数指标分类智能天线与常规移动通信基站天线不同，它增加了对天线系统的校准电路和实时校准功能，同时，天线的方向图辐射特性复杂。考虑到这些特殊性和复杂性，并为了方便归纳、统计和检测，该标准对所有电气指标分为结构参数、校准参数、电路参数和性能参数。结构参数：描述整个天线的外观特性且不适合归纳到其他类型的参数，如阵列形式、极化方式、端口数目、接头类型、馈电位置等。校准参数：描述与校准有关的电路参数，如校准通道的耦合度和定向性、各校准通道的幅度/相位偏差、校准端口的输入电压驻波比等。电路参数：描述智能天线阵列的电路参数，包括各辐射端口的输入电压驻波比

5、、有源电压驻波比、隔离度、天线电下倾角范围、精度、功率容限等。性能参数：描述智能天线阵列的有源输入回波损耗，各种辐射方向图特性，包括增益、波束宽度、前后比、副瓣电平等，其中智能天线阵列的方向图按照实际应用来分类，又可细分为单元波束、广播波束和业务波束3类。4、校准参数定义在校准参数中，校准端口至各辐射端口的耦合度以及校准通道耦合方向性2项参数由设设来保证，实际系统中难以对其进行检测。之所以要引导和规定其指标范围，是由于如果耦合度指标太强，则增加了系统的插入损耗；如果太弱，则抗干扰能力降低，容易引起校准参数测试的误差。方向性指标是为保证天线辐射和天线校准，并且彼此之间不会产生严重干扰而影响系统性

6、能。校准端口至各辐射端口的幅度/相位最大偏差定义指标既考虑到系统对天线硬件的精度要求，又考虑到天线硬件电路实现的可能性。校准端口电压驻波比指标的定义也是如此。5、有源回波损耗、单元驻波比及相邻端口隔离度参数定义智能天线系统在实际工作状态下各列单元馈电幅度和相位是任意可变的，会引起各辐射端口的有源回波损耗的变化。以定向智能天线为例：在60扫描角内，由于单元馈电幅度和相位的变化，有源回波损耗应该有一个指标予以限制，否则，某些扫描角度上或者某些波束状态下严重失配的有源回波损耗将造成这些角度的波束扫描盲点，这在雷达自适应相控阵天线中已经得到证明。根据智能天线系统的要求并结合天线设计的可能性，有源回波损

7、耗指标定在-10dB较为合适。由此，各辐射端口的无源电压驻波比和端口间的隔离度指标即有了一个相关的定义，因为这2个指标的大小决定了有源回波损耗的指标，如果其中有一个偏大，另一个必须很小才行。如果2个指标都偏大，有源回波损耗的指标实际上不能通过。根据其相互关系，各辐射端口的电压驻波比定为1.5，相邻辐射端口之间隔离度定为20dB较为合理。这些指标也是衡量各列单元之间的相关性以及智能天线自适应波束的准确成形的依据。6、垂直面波束参数定义根据第二代基站天线在应用过程中的经验，在标准中对全系列天线进行了完整的赋形天线的定义，对上旁瓣抑制和下零点填充进行了规定，提高了智能天线的性能，为网络规划和优化提供

8、了有力的支持。在第二代天线标准中作为参考值的垂直面波束宽度在该标准中成了强制的指标，定义为6.5。7、单元波束定义单元波束参数分为水平面半功率波束宽度和单元波束增益，它们在定向天线和全向天线的情况下有所不同。对于定向智能天线，下行的业务窄波束和广播波束的实现都是由多个单元波束合成而来，上行的自适应波束也是对多个单元波束进行相关加权后形成的。由于定向智能天线典型覆盖120扇区，因此，单元波束方向图的水平面半功率波束宽度应该有适当的范围限制。当波束宽度偏窄时，其60边缘的电平下降过多，造成业务波束扫描到60边缘时的增益也下降过多，同样，综合的广播波束在60边缘也呈现更低的电平；当波束宽度偏宽时，其

9、60边缘的电平下降过少，单元波束更多能量进入相邻物理扇区产生额外干扰，同时单元波束的增益降低引起业务波束扫描和广播波束增益的同步降低。综合来看，单元波束的水平面半功率宽度应在90120之间，拟定为10015，如此可以包含更宽范围的系统对智能天线的要求。其中15的容差比较大，因为要考虑到物理边缘单元列的方向图边缘效应。相应地，根据限定的波束宽度，单元的波束增益也应该在一个合理的范围，并不是越高越好，拟定为14.5dBi。8、广播波束定义广播波束参数在定向天线和全向天线的情况下有所不同：前者分为水平面半功率波束宽度、广播波束增益、波束在60边缘的功率电平下降；后者分为广播波束的平均增益和水平面方向

10、图的圆度指标。对于定向智能天线，下行的广播波束主要情况为覆盖120的角域，其水平面半功率波束宽度在65为宜，而波束在60边缘的功率电平下降在10dB为宜，这样既不至于造成覆盖盲区，又可以避免对相邻物理扇区过多的信号重叠。根据水平面半功率波束宽度即可以合理地确定其广播波束增益。此外又增加了30、90和100的广播波束宽度作为补充。 对于全向智能天线，下行的广播波束需要覆盖360的角域，因此希望各列单元等幅等相馈电，以实现全向辐射的广播波束，根据系统的要求，其水平面方向图波束的圆度指标拟定为1dB，由于水平面方向图1dB的起伏，广播波束的增益也有起伏，考虑这一因素，拟定广播波束的平均增益为8.5d

11、Bi。9、业务波束定义业务波束参数在定向天线和全向天线的情况下有所不同，前者覆盖120空域，后者覆盖360空域。定向天线的业务波束在扫描时，随着扫描角的增大，其增益越来越低，且波束宽度越来越宽，原因在于单元方向图波束离开阵面法向时的电平自然下降，因此需要限定在-60+60整个波束扫描角范围内的波束增益、波束宽度及副瓣电平。另外，波束扫描的原理来自相控阵天线原理，它适用于阵列尺寸为无限大的情况，对于有限阵列，目前具体为8单元、6单元和4单元，波束实际扫描到60时，增益下降很多，其下降的结果超出了波束扫描未到60但趋于60时相应指向的波束在60的实际增益电平，因此，根据理论、仿真以及设计经验，8单

12、元阵列波束实际扫描到55范围为好，（5560）的增益电平直接从55。波束上读取；而4单元阵列波束实际扫描到45范围为好，（4560）的增益电平直接从45波束上读取。由此，根据扫描原理可定出相应的指标。全向天线的业务波束在扫描时，则主要需要合理地规定其增益和半功率波束宽度指标。 上述几点体现出TD-SCDMA智能天线在当前应用场景下的技术特点，随着TD-SCDMA网络和智能天线技术的发展，该标准还可能做一些技术上的修订，以适应应用的需求。今后该部分标准的修订工作应该会包括以下几个方面：由于应用上的考虑，暂时没有23002400MHz频段的指标定义，在商用逐步深入，技术日渐成熟的基础上，增加23002400MHz频段的指标是必然的；双极化天线是本标准中没有涉及到的，业界对于双极化的研究并没有停止过，当研究成果在网络得到一定程度上的验证时，标准也会添加相应的内容；无论是技术指标定义还是参数值方面，小型化天线均有较大的变化，随着应用场景对天线小型化的要求，标准化的工作也将随之开展。现在颁布是标准的第一部分天线部分，标准第二部分天线智能控制部分的起草工作正在紧张的准备中。天线智能控制部分是影响智能天线技术特点发挥的关键，也是整个标准工作的难点。这部分标准涉及的指标不会太多，主要是