天線的各種性能及測量方法探討

1、引言

隨著移動通信的不斷發(fā)展，移動通信天線也經(jīng)歷了從單極化天線、雙極化天線到智能天線、MIMO天線乃至大規(guī)模陣列天線的發(fā)展歷程。中國移動經(jīng)過4G大發(fā)展后，目前擁有大約150萬個基站，在網(wǎng)天饋質(zhì)量參差不齊。天線作為移動通信網(wǎng)絡的感知器官在網(wǎng)絡中的地位越來越復雜，并且越來越重要。雖然天線的投資占比較小（僅占基站投資的3%左右），但是網(wǎng)絡故障的40%以上是由天饋系統(tǒng)引起的。天饋系統(tǒng)質(zhì)量下降會導致覆蓋性能變差，或者造成干擾問題，而且天線作為一種復雜的無源產(chǎn)品，其在網(wǎng)絡中很難監(jiān)測，

天饋系統(tǒng)問題的表現(xiàn)多種多樣，如：天線在網(wǎng)使用兩三年后，網(wǎng)絡覆蓋性能明顯下降，互調(diào)干擾越來越嚴重；下暴雨時駐波比告警；刮大風時駐波比告警；同一廠家同一型號的天線用在同一網(wǎng)絡性能卻大不相同等等。這些現(xiàn)象，表明供貨廠家的產(chǎn)品可靠性不高，質(zhì)量存在隱患，達不到產(chǎn)品壽命指標要求。如何判斷呢？ 這就和天線的一致性、穩(wěn)定性和可靠性相關。

2、天線的可靠性

通常，產(chǎn)品的可靠性是指元件、產(chǎn)品、系統(tǒng)在一定時間內(nèi)、在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性?？赏ㄟ^可靠度、失效率、平均無故障間隔等來評價產(chǎn)品的可靠性。環(huán)境可靠性是指：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力。產(chǎn)品在設計、應用過程中，不斷經(jīng)受自身及外界氣候環(huán)境及機械環(huán)境的影響，而仍需要能夠正常工作，這就需要用試驗設備對其進行驗證。

可靠性包含了耐久性、可維修性、設計可靠性三大要素。耐久性是指產(chǎn)品使用無故障性或使用壽命的長短?？删S修性是指當產(chǎn)品發(fā)生故障后，能夠很快很容易的通過維護或維修排除故障。

設計可靠性是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵，由于人—機系統(tǒng)的復雜性，以及人在操作中可能存在的差錯和操作使用環(huán)境的這種因素影響，發(fā)生錯誤的可能性依然存在，所以設計的時候必須充分考慮產(chǎn)品的易使用性和易操作性，這就是設計可靠性。因此，可靠性是一項重要的質(zhì)量指標，只是定性描述就顯得不夠，必須使之數(shù)量化，這樣才能進行精確的描述和比較?？煽啃缘亩勘硎居衅渥约旱奶攸c，由于使用場合的不同，很難用一個特征量來完全代表。

天線產(chǎn)品的可靠性的檢驗可以通過一系列試驗來判斷，可靠性試驗是對天線產(chǎn)品進行可靠性調(diào)查、分析和評價的重要手段。天線的可靠性試驗包括高低溫試驗、淋雨試驗、振動試驗、沖擊試驗、碰撞試驗、汽車運輸試驗、風載試驗、攝冰試驗和功率試驗等。通過環(huán)境試驗可以檢驗天線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性。如圖1所示，為淋雨試驗、振動試驗和大功率試驗后，滿足可靠性要求的天線與不滿足的對比測試結(jié)果。

圖1、天線結(jié)構(gòu)可靠性對比試驗

從圖中可以看出，通過環(huán)境試驗可以檢驗出可靠性較差的天線，環(huán)境試驗可以對天線產(chǎn)品的設計、材料和工藝的可靠性進行檢驗。

3、天線性能的穩(wěn)定性

產(chǎn)品的穩(wěn)定性是指產(chǎn)品保持其特性隨時間恒定的能力，通常是指產(chǎn)品的特性隨時間不變化的能力。穩(wěn)定性可以進行定量的表征，主要是確定特性隨時間變化的關系。穩(wěn)定性很重要，那么怎么才能知道系統(tǒng)是否穩(wěn)定呢？

產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性是不可分的，對于天線產(chǎn)品的穩(wěn)定性如何判別呢，一種相對簡單的方法就是通過可靠性試驗前后指標曲線的重合度來判斷天線性能的可靠性。通過研究發(fā)現(xiàn)：

（1）輻射參數(shù)對工藝及電路不敏感，而電路參數(shù)對電路及工藝敏感，在生產(chǎn)過程，特別是多次調(diào)試易對電路參數(shù)造成影響；

（2）電路參數(shù)中，互調(diào)量級太小，對測試方法、測試設備及環(huán)境敏感波動大，不適合統(tǒng)計評估；

（3）電路參數(shù)對測試場地要求低，可現(xiàn)場測試。輻射參數(shù)對測試場地的反射和屏蔽特性要求很高，不可現(xiàn)場測試。

因此，建議選取電路參數(shù)中的駐波比和隔離度作為天線性能的穩(wěn)定性表征參量。

圖2、天線駐波比性能穩(wěn)定性比較

如圖2所示，為振動試驗前后天線電壓駐波比性能穩(wěn)定性比較，左圖的天線在振動試驗前后駐波比基本沒有變化曲線吻合很好，而右圖的天線在振動試驗后雖然駐波比仍然合格（VSWR<1.5），但試驗前后駐波比曲線偏差較大，可以認為該天線穩(wěn)定性較差。

圖3為淋水試驗前后的天線隔離度性能穩(wěn)定性對比?？梢钥闯鲎髨D的天線隔離度穩(wěn)定性較好，右圖較差。

圖3、天線隔離度性能穩(wěn)定性比較

天線穩(wěn)定性的較差的天線，雖然常常能夠通過入網(wǎng)測試，但在使用周期內(nèi)往往由于自然環(huán)境的變化引起質(zhì)量下降，從而導致網(wǎng)絡質(zhì)量的下降，易出現(xiàn)引言中發(fā)生的現(xiàn)象。

4、天線性能的一致性

天線性能的一致性是指同一型號的天線產(chǎn)品的參數(shù)表現(xiàn)的吻合性，可以通過比較多個同類型產(chǎn)品的指標曲線的近似度來判斷。如圖4所示，為同一類型的多個天線電壓駐波比曲線的一致性對比，左圖的多個天線駐波比曲線趨勢一致，偏差較小，表明該類型天線駐波比性能比較一致；右圖的多個天線的駐波比曲線沒有規(guī)律，比較雜亂，表明該類型天線的駐波比性能一致性較差。圖5為天線隔離度性能的一致性比較，同樣左圖天線比右圖天線隔離度參數(shù)的一致性要好。因此，可以認為，左圖天線性能的一致性要好于右圖的天線。

圖4、天線駐波比性能的一致性比較

圖5、天線隔離度性能的一致性比較

5、結(jié)論

天線屬于寬帶、低Q值無源產(chǎn)品，在可靠性試驗過程中材料結(jié)構(gòu)損壞后不會還原，高低溫試驗過程中材料的熱脹冷縮引起的頻率變化忽略不計，對比試驗后的測試指標變化情況足以反映電性能指標的穩(wěn)定性，不需在可靠性試驗過程中測試指標。天線的互調(diào)指標，對制造工藝及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性敏感，可采取動態(tài)測試，間接驗證產(chǎn)品穩(wěn)定性。

總之，天線的可靠性、穩(wěn)定性和一致性對移動通信網(wǎng)絡具有重要的影響，在天線產(chǎn)品入網(wǎng)之前測量和把控天線的這些性能具有重要意義。