移動(dòng)通信基站天線互調(diào)的參數(shù)化分析方法

吳衛(wèi)華

（武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

移動(dòng)通信基站天線互調(diào)的參數(shù)化分析方法

吳衛(wèi)華

（武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

針對當(dāng)前基站天線設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家的互調(diào)經(jīng)驗(yàn)分析方法，提出了基站天線互調(diào)的參數(shù)化分析方法。通過引入能量和相位的概念，介紹了基站天線互調(diào)設(shè)計(jì)原則，研究了基站天線互調(diào)生產(chǎn)參數(shù)化管控手段，分析了基站天線互調(diào)返修中的參數(shù)化故障定位方法，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在3個(gè)環(huán)節(jié)之間建立有效的參數(shù)化反饋機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化分析基站天線互調(diào)。

基站天線 互調(diào) 時(shí)域反射 故障定位

1 引言

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站天線是收發(fā)信機(jī)與外界傳播介質(zhì)之間的接口。同一副基站天線既可以輻射又可以接收無線電波：發(fā)射時(shí)，將收發(fā)信機(jī)饋給的射頻電能轉(zhuǎn)換為電磁波能；接收時(shí)，把電磁波能轉(zhuǎn)化為射頻電能并輸送到收發(fā)信機(jī)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商為提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、增加覆蓋范圍，收發(fā)信機(jī)的機(jī)頂功率在不斷增加，基站天線也由定向天線升級為電調(diào)天線，由雙端口單頻天線升級到10端口5頻天線，同時(shí)基站天線的三階互調(diào)最低要求也達(dá)到了-107dBm。

基站天線的主體結(jié)構(gòu)由外罩、反射板、饋電網(wǎng)絡(luò)以及振子組成，饋電網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步細(xì)分為端口跳線、功分器、接線端子、移相器等部件?，F(xiàn)有基站天線設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家：在天線互調(diào)設(shè)計(jì)中，遵循的是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法；在天線互調(diào)生產(chǎn)控制中，遵循的是過程管控方法；在天線互調(diào)返修中，遵循的是經(jīng)驗(yàn)排除方法。3個(gè)環(huán)節(jié)之間缺乏有效的參數(shù)化反饋機(jī)制，需要大量有長期互調(diào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程師，通過在各自領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)和知識，來支持整個(gè)基站天線的互調(diào)設(shè)計(jì)保證、互調(diào)生產(chǎn)直通率、互調(diào)返修合格率及效率。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，基站天線在向雙極化、電調(diào)、多頻、振子復(fù)用方向演進(jìn)，如圖1所示?；咎炀€在向多頻多端口演進(jìn)的同時(shí)，其體積受鐵塔安裝空間限值不能增加太多，同時(shí)部分網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營提出了比三階互調(diào)-107dBm更高的要求，互調(diào)要在天線小型化的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化提高，基于經(jīng)驗(yàn)的互調(diào)分析方法已經(jīng)不能滿足基站天線互調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、互調(diào)生產(chǎn)直通率以及互調(diào)返修合格率和效率。

圖1 基站天線技術(shù)演進(jìn)示意圖

基于此，本文建立了移動(dòng)通信基站天線互調(diào)的參數(shù)化分析方法：在能量和相位的維度，將基站天線互調(diào)參數(shù)化分解到各部件，明確提出各部件互調(diào)要求，并編制出以各部件互調(diào)值為參數(shù)的基站天線互調(diào)參數(shù)化表格。在基站天線互調(diào)參數(shù)化分解到各部件的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)化分析方法，明確基站天線在預(yù)制、焊接、裝配、清潔各個(gè)環(huán)節(jié)對人、機(jī)、法的參數(shù)化要求，互調(diào)生產(chǎn)直通率通過互調(diào)工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。基于能量和相位，搭建可參數(shù)化定位基站天線互調(diào)故障點(diǎn)和故障值的互調(diào)測試平臺，準(zhǔn)確判定基站天線互調(diào)故障點(diǎn)，提升基站天線互調(diào)返修合格率和效率。

2 基站天線互調(diào)參數(shù)化設(shè)計(jì)

基站天線互調(diào)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

（1）如圖2所示，以某基站天線連接收發(fā)信機(jī)的端口為起點(diǎn)、將射頻電能轉(zhuǎn)換為電磁波能的振子為終點(diǎn)，將射頻傳輸?shù)耐緩椒殖?個(gè)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變相位差。

（2）第1部分包含端口跳線、功分器、接線端子、移相器輸入端，其等同于饋電網(wǎng)絡(luò)；第2部分包含移相器輸出端、振子及連接振子的跳線。

（3）將影響基站天線互調(diào)的4大因素（電鍍、焊接、接觸、清潔）分解到基站天線2個(gè)部分中去。

圖2 基站天線饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

（4）根據(jù)能量分配原理，將端口反射互調(diào)測試的雙音射頻信號載波功率分解到第1部分各部件中去，射頻電能傳播公式為：

根據(jù)能量合成原理，同相位的三階互調(diào)產(chǎn)物在反射互調(diào)時(shí)直接疊加合成，公式如下：

（5）根據(jù)饋電網(wǎng)絡(luò)中功分器的特征，可得出各振子的能量方程；根據(jù)基站天線電下傾角調(diào)整對應(yīng)的移相器電長度變化，可得出各振子相位方程。這2個(gè)方程可綜合為各振子的能量相位方程，根據(jù)能量合成原理，存在相位差的三階互調(diào)產(chǎn)物可通過三角函數(shù)方程合成：

（6）載波功率每增減1dB，則三階互調(diào)產(chǎn)物增減3dB。

（7）饋電網(wǎng)絡(luò)中各部件的互調(diào)設(shè)計(jì)要求值可通過步驟（4）和步驟（6）參數(shù)化。

（8）第2部分振子的互調(diào)設(shè)計(jì)值可通過步驟（5）和步驟（6）參數(shù)化，由于相位差影響，互調(diào)設(shè)計(jì)值有一個(gè)區(qū)間，最差值對應(yīng)最小的下傾角，最優(yōu)值對應(yīng)最大的下傾角，振子互調(diào)設(shè)計(jì)值取最差值。

（9）材料的缺陷、磁滯等決定材料互調(diào)，當(dāng)部件材料互調(diào)值低于部件互調(diào)設(shè)計(jì)理論值時(shí)，部件互調(diào)設(shè)計(jì)理論值由材料決定。通過步驟（6）可發(fā)現(xiàn)，材料在對應(yīng)不同載波功率時(shí)互調(diào)產(chǎn)物不同。材料互調(diào)值和部件互調(diào)設(shè)計(jì)理論值的比較要基于對應(yīng)的載波功率。

3 基站天線互調(diào)生產(chǎn)參數(shù)化管控

基站天線互調(diào)生產(chǎn)參數(shù)化管控方法包括以下步驟：

（1）基站天線各部件的互調(diào)設(shè)計(jì)值為理論值，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)由于電鍍、焊接、接觸、清潔這4大因素離散化的同時(shí)惡化。

（2）互調(diào)離散度主要由以下幾點(diǎn)決定：

◆電鍍、焊接、接觸、清潔這4大因素的影響減少或減弱；

◆各工序操作人員好/中/差素質(zhì)的比例；

◆裝配焊接清潔工裝夾具的一致性和使用比例；

◆是否配置過程檢驗(yàn)排除互調(diào)不合格部件。

（3）如圖3所示，為保證互調(diào)直通率，有2個(gè)措施：措施1為提高互調(diào)設(shè)計(jì)理論值（當(dāng)為材料互調(diào)受限時(shí)，提升材料互調(diào)值），冗余較大的互調(diào)離散化及惡化；措施2為合理的互調(diào)設(shè)計(jì)理論值，減小互調(diào)離散，降低互調(diào)惡化程度。

圖3 基站天線互調(diào)離散度示意圖

（4）步驟（3）中，措施1會(huì)增加基站天線某些部件互調(diào)設(shè)計(jì)難度（或提升材料互調(diào)要求），提升互調(diào)直通率保證成本；措施2可通過基站天線互調(diào)生產(chǎn)參數(shù)化管控方法實(shí)現(xiàn)。

（5）互調(diào)設(shè)計(jì)理論值無法提供較大余量的，可通過減小互調(diào)離散度實(shí)現(xiàn)。

（6）互調(diào)設(shè)計(jì)理論值有較大余量的，可適當(dāng)放寬互調(diào)離散度，降低生產(chǎn)管控要求。

（7）對于影響互調(diào)離散度的第1、2、3點(diǎn)因素，可通過大量生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)，再通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法形成影響互調(diào)離散度參數(shù)。對于影響互調(diào)離散度的第4點(diǎn)因素，在前3點(diǎn)因素可控后，形成雙重保險(xiǎn)，提升互調(diào)直通率，并同步收集了新的質(zhì)量數(shù)據(jù)為再次優(yōu)化影響互調(diào)離散度參數(shù)做好準(zhǔn)備。

4 基站天線互調(diào)返修中的參數(shù)化故障定位

基站天線互調(diào)返修中的參數(shù)化故障定位方法包括以下步驟：

（1）測試不同電下傾角下的基站天線三階互調(diào)值，若存在互調(diào)測試值隨著電下傾角度增加逐漸變好但最差值低于互調(diào)合格值時(shí)，可判斷互調(diào)故障點(diǎn)為振子或其連接跳線，通過各振子的能量相位方程，從能量最大、相位差最小的成對振子間檢查焊接、接觸、清潔等生產(chǎn)管控點(diǎn)，通過返修解決，再次測試互調(diào)，若仍不合格，繼續(xù)排查能量次大、相位差次小的成對振子，直到互調(diào)合格。

（2）在步驟（1）測試中，若互調(diào)測試值隨著電下傾角度增加基本不變但測試值低于互調(diào)合格值時(shí)，可基本排除振子的互調(diào)問題，將互調(diào)問題定位到饋電網(wǎng)絡(luò)，詳見后續(xù)步驟（3）至步驟（6）。

（3）將同軸電纜的長度、PCB上的蝕刻電路長度轉(zhuǎn)換成基于雙音射頻信號和三階互調(diào)產(chǎn)物對應(yīng)頻率的電長度，其中雙音射頻信號頻率對應(yīng)f1、f2，三階互調(diào)產(chǎn)物對應(yīng)頻率為2f2-f1，電長度對應(yīng)的頻率取3個(gè)頻率的算數(shù)平均值為：?

（4）如圖4所示，根據(jù)基站天線部件距離端口的電長度，將基站天線饋電網(wǎng)絡(luò)不同部件互調(diào)設(shè)計(jì)值繪制成圖表。橫坐標(biāo)為電長度值、縱坐標(biāo)為部件三階互調(diào)產(chǎn)物值，在圖表上根據(jù)互調(diào)參數(shù)化設(shè)計(jì)和互調(diào)參數(shù)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)，預(yù)先繪制出2條軌跡：第1條軌跡與橫坐標(biāo)平行，縱坐標(biāo)值為基站天線互調(diào)合格值；第2條軌跡為計(jì)算互調(diào)離散度后的部件互調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)際值。

（5）搭建可參數(shù)化定位基站天線互調(diào)故障平臺，此平臺基于時(shí)域反射原理，通過軟硬件一體化配置，可跟蹤雙音射頻信號發(fā)出到接收到三階互調(diào)產(chǎn)物的時(shí)間和幅度，并轉(zhuǎn)化成圖4中的連續(xù)標(biāo)記點(diǎn)，通過與圖4中2條軌跡的比對，直觀顯示部件故障互調(diào)值和故障位置。

（6）可參數(shù)化定位基站天線互調(diào)故障平臺通過預(yù)先校準(zhǔn)，將圖4橫坐標(biāo)的電長度零點(diǎn)調(diào)整為基站天線端口。

圖4 基站天線互調(diào)返修參數(shù)化故障定位

5 結(jié)束語

采用基站天線互調(diào)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，引入能量和相位的概念，將基站天線互調(diào)參數(shù)化分解到各部件，明確提出各部件互調(diào)要求，并編制出以各部件互調(diào)值為參數(shù)的基站天線互調(diào)參數(shù)化表格，改變了傳統(tǒng)天線互調(diào)設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)的方法，可以大大減少工程師的互調(diào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，進(jìn)而減小互調(diào)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和周期，且使得基站天線互調(diào)設(shè)計(jì)完全參數(shù)化。

采用基站天線互調(diào)生產(chǎn)參數(shù)化管控方法，引入互調(diào)離散度的概念，并將互調(diào)離散度的影響因素通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法參數(shù)化，改變了傳統(tǒng)天線互調(diào)生產(chǎn)無法量化對人、機(jī)、法的要求，互調(diào)生產(chǎn)直通率不高且有波動(dòng)的問題，可以大大提升互調(diào)生產(chǎn)直通率且能對其不斷進(jìn)行優(yōu)化。

采用基站天線互調(diào)返修中的參數(shù)化故障定位方法，引入對應(yīng)頻率的電長度概念，并繪制橫坐標(biāo)為電長度值、縱坐標(biāo)為部件三階互調(diào)產(chǎn)物值的圖表，將實(shí)際測量的互調(diào)產(chǎn)物經(jīng)過頻域變化為基于電長度的互調(diào)值，經(jīng)過對比可直觀發(fā)現(xiàn)部件互調(diào)故障點(diǎn)和故障值，改變了傳統(tǒng)天線互調(diào)返修主要采取效率低下的排除法，并且排除效率完全取決于工程師的長期互調(diào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以大大提升互調(diào)返修效率和返修合格率。

在移動(dòng)通信基站天線互調(diào)分析方法領(lǐng)域，本文通過突破本領(lǐng)域的慣性認(rèn)知，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化分析基站天線互調(diào)。

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Parametric Analysis Method on Passive Intermodulation of Mobile Communication Base Station Antenna

WU Wei-hua
(Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

According to analysis method on passive intermodulation (PIM) of base station (BS) antenna’ manufacturer at present, a parametric analysis method on PIM of BS antenna was proposed. The concepts of energy and phase were introduced and design principle of BS antenna PIM was described. Parametric control means of BS antenna PIM production was studied and parametric default location method of BS antenna PIM in repair was analyzed. It is verifi ed through experiment that the establishment of effective parametric feedback mechanism between three links can achieve parametric analysis on PIM of BS antenna.

base station antenna passive intermodulation (PIM) time domain refl ection fault location

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.12.005

TN82

A

1006-1010(2015)12-0025-04

吳衛(wèi)華. 移動(dòng)通信基站天線互調(diào)的參數(shù)化分析方法[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(12): 25-28.

2015-03-14

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

吳衛(wèi)華：工程師，學(xué)士畢業(yè)于武漢大學(xué)，現(xiàn)任職于武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司天饋事業(yè)部，主要從事基站天線、多系統(tǒng)接入平臺和無源器件的結(jié)構(gòu)工藝研究工作。