基站測試套件-保證大功率基站的正常工作

1 內(nèi)容提要
　　一個完整的蜂窩基站由二大部分系統(tǒng)組成——發(fā)射機(jī)和天饋線系統(tǒng)。從發(fā)射機(jī)到天線之間有很多物理連接點(diǎn)，每個環(huán)節(jié)之間的良好匹配是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。 從測試角度看，必須從二個方向來綜合考慮——從發(fā)射機(jī)的射頻輸出端口向發(fā)射機(jī)方向看過去的匹配情況；和從天線輸入端口向天線方向看過去的匹配情況。少了其 中一項(xiàng)，如用天饋線分析儀進(jìn)行天饋線系統(tǒng)的匹配測量，只能說完成了整個系統(tǒng)一半的測試。
　　在本文中，討論了為什么需要同時從發(fā)射機(jī)和天饋線系統(tǒng)二個角度來完成基站的匹配測試，并在討論的基礎(chǔ)上提出了采用通過式功率計和天饋線分析儀進(jìn)行基站匹配測量的完整解決方法。
　　2 正確理解蜂窩基站發(fā)射系統(tǒng)的匹配
　　從射頻角度看，任何一個無線電發(fā)射系統(tǒng)是由二大部分組成的——發(fā)射機(jī)和天饋線系統(tǒng)（圖1），當(dāng)然蜂窩基站也不例外。
　　
　　從上圖我們不難發(fā)現(xiàn)，在整個發(fā)射系統(tǒng)中需要關(guān)注的測試點(diǎn)有以下這些：
　　發(fā)射機(jī)的輸出端
　　合路器/濾波器的輸入端
　　合路器/濾波器的輸出端
　　饋線的任意位置
　　天線的輸入端
　　在整個系統(tǒng)中，有二部分比較容易出現(xiàn)故障——發(fā)射機(jī)的輸出功率放大器和天饋線系統(tǒng)。眾所周知，放大器是有源器件，其輸出S11 參數(shù)（駐波比）不如無源器件那樣更容易接近理想值，而且外界條件（如電源）的變化，其自身的穩(wěn)定性和長期工作所造成器件老化，都會影響其輸出功率尤其是駐 波比的穩(wěn)定。另一部分容易出現(xiàn)故障的是從合路器輸出以后的整個天饋線系統(tǒng)，因?yàn)槠浣^大部分是處于室外的。
　　3 整個系統(tǒng)常見的故障
　　3.1 發(fā)射機(jī)故障
　　由于電源的不穩(wěn)定和環(huán)境溫度的造成放大器輸出功率和輸出駐波比的變化。
　　由于放大器中大功率管的老化造成輸出功率的下降和駐波比的惡化由于天饋線系統(tǒng)駐波比的惡化引起發(fā)射系統(tǒng)中保護(hù)電路的工作而導(dǎo)致發(fā)射功率的下降 。
　　3.2 天線故障
　　雷電，水和風(fēng)所造成的破壞，來自紫外線輻射的破壞，結(jié)冰和長期溫度的循環(huán)變化所造成的破壞，大氣和環(huán)境污染所造成的腐蝕，由于環(huán)境條件使天線防護(hù)罩的介質(zhì)特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致天線性能的變化
　　電纜故障
　　由于安裝引起的故障，如接地夾過緊而導(dǎo)致外導(dǎo)體變形電纜滲水 外導(dǎo)體腐蝕
　　3.3 接頭故障
　　防水膠安裝不當(dāng)導(dǎo)致進(jìn)水與電纜的內(nèi)導(dǎo)體或外導(dǎo)體連接不良安裝過緊，或由于溫度的循環(huán)變化導(dǎo)致松弛從上述分析不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)射系統(tǒng)和天饋線系統(tǒng)是決定整個系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，而且這兩部分有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。這個關(guān)聯(lián)點(diǎn)就是發(fā)射機(jī)的射頻輸出端，也就是天饋線 系統(tǒng)的輸入端。如果發(fā)射系統(tǒng)的輸出駐波比非常理想，而天饋線系統(tǒng)處于失配狀態(tài)，那么系統(tǒng)的功率就不能有效的輻射到空中；相反，如果天饋線系統(tǒng)處于理想的匹 配狀態(tài)，而發(fā)射系統(tǒng)的駐波比很差，系統(tǒng)功率同樣無法有效輻射。因此，進(jìn)行蜂窩系統(tǒng)的匹配測量，首先要對系統(tǒng)匹配有正確理解，這樣才能用對設(shè)備、
　　辦對事情。至此我們可以得出這樣的結(jié)論：在蜂窩基站的匹配測試中，大功率的測量和駐波比測量缺一不可，而且要貫穿測試的始終。
　　4 常見的測量方法及其不足
　　在傳統(tǒng)的基站匹配測量中，通常采用網(wǎng)絡(luò)分析儀或者天饋線分析儀進(jìn)行天饋線統(tǒng)的匹配分析（圖2）。
　　
　　在圖2的測量方法中，需要將天饋線和發(fā)射機(jī)的射頻接口斷開。這種方法除了測量天線輸入端口的S11 參數(shù)（駐波比）以外，還可以利用天線分析儀中的故障定位（DTF）功能非常準(zhǔn)確的測量整個天饋線系統(tǒng)中任意一個物理點(diǎn)的駐波比，向基站維護(hù)工程師提供故障點(diǎn)位置的準(zhǔn)確信息（圖3）。
　　
　　從前面的分析我們已經(jīng)了解到，基站的匹配測 量包括發(fā)射機(jī)和天饋線系統(tǒng)二大部分。天饋線分析儀可以準(zhǔn)確測量天饋線系統(tǒng)的匹配情況，但是對發(fā)射機(jī)卻無能為力，也就是說天饋線分析儀僅僅完成了整個系統(tǒng)一 半的測量工作。正確的解決方法是采用通過式功率計和天饋線分析儀來共同完成基站系統(tǒng)的匹配測量。
　　5 正確的測試方法
　　5.1 采用通過式功率計和天饋線分析儀進(jìn)行基站發(fā)射系統(tǒng)的匹配測量
　　圖4 是基站發(fā)射系統(tǒng)匹配測量的完整解決方案。在這種測量方法中，采用了BIRD 公司的5012B 型通過式數(shù)字功率計和SA-6000XT 型天饋線分析儀對整個系統(tǒng)進(jìn)行的系統(tǒng)和細(xì)節(jié)的分析，從而為基站發(fā)射系統(tǒng)的正常工作提供了完整的評估依據(jù)。

　　5012B 是一臺通過式數(shù)字功率計，其工作頻率范圍為350~4000MHz，測量功率范圍為150mW~150W，可以測量任何調(diào)制方式的基站的平均功率，峰值功 率，突發(fā)功率，峰均功率比（高達(dá)12dB）和CCDF。SA-6000XT 天饋線分析儀則可以在25~6000MHz 范圍內(nèi)測量天饋線系統(tǒng)的駐波比，故障定位和系統(tǒng)損耗。同時還可以作為5012B 的顯示器。
　　
　　圖5 是一個更加細(xì)化的天饋線系統(tǒng)示意圖，在圖示的系統(tǒng)中，將SA-6000XT 接在④端替代發(fā)射機(jī)，可以測量天饋線系統(tǒng)輸入端的S11 參數(shù)（駐波比），對整個系統(tǒng)進(jìn)行故障定位（DTF），還可以單端測量天饋線系統(tǒng)的S21 參數(shù)（插入損耗）圖6 是SA-6000XT 天饋線分析儀的測試結(jié)果。
　　
　　
　　我們發(fā)現(xiàn)，SA-6000XT 對整個天饋線系統(tǒng)進(jìn)行了一次系統(tǒng)的分析，對從發(fā)射機(jī)端口開始一直到天線，沒有任何的遺漏點(diǎn)，而對發(fā)射機(jī)本身卻無能為力。至此，到了5012B 通過式功率計發(fā)揮作用的時候了。參見圖5，將5012B 串在位置④——發(fā)射機(jī)的輸出端，不但可以測量發(fā)射機(jī)的輸出功率是否在設(shè)計的范圍內(nèi)；更加重要的是，它可以同時準(zhǔn)確測量基站的正向和反射功率，并且可以直接 讀出駐波比，這項(xiàng)測試為基站是否正常工作提供了至關(guān)重要的評判依據(jù)。
　　
　　圖7是通過式功率計的工作原理。通過式功率計的核心技術(shù)實(shí)際上是一個高方向性的定向耦合器，其自身的插入損耗和插入駐波比很小，所以即使串聯(lián)在發(fā)射系統(tǒng)中，也 不會對系統(tǒng)造成影響。由于通過式功率計的這種特性，在我們推薦的測試方法中，將發(fā)射機(jī)和天饋線系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來進(jìn)行了測試，這項(xiàng)測試完全體現(xiàn)了系統(tǒng)真實(shí) 的工作情況，這是天饋線分析儀所無法實(shí)現(xiàn)的。
　　作為額外的功能，5012B 還能測量各種調(diào)制類型發(fā)射機(jī)的平均功率，峰值功率，突發(fā)功率，峰均功率比和CCDF 值，這些功能已經(jīng)有專門的應(yīng)用文章進(jìn)行了討論。在本項(xiàng)測試中，我們繼續(xù)將5012B 置于其它位置，看看還能對系統(tǒng)的測量提供哪些幫助。位置③——天線的輸入端，可以確定發(fā)射機(jī)真正輻射到空間的信號究竟有多大；這是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工程師所 關(guān)心的。位置②——可以檢查發(fā)射系統(tǒng)在某個位置的匹配情況，這是設(shè)備維護(hù)工程師所關(guān)心的。
　　5.2 用通過式功率計還是終端式功率計？
　　通過前面的分析，可以發(fā)現(xiàn)與終端式功率計不同 的是，通過式功率計真實(shí)的反映了一個發(fā)射系統(tǒng)中各個截面的正向功率和反射功率。終端式功率計的輸入阻抗是標(biāo)準(zhǔn)的50Ω。在功率測量中，終端式功率計替代了 發(fā)射機(jī)的負(fù)載，也就是說，終端式功率計將發(fā)射機(jī)的負(fù)載理想化了（圖8）。所以說，終端式功率計所測得的結(jié)果是發(fā)射機(jī)在理想負(fù)載時的輸出功率；如果發(fā)射天饋 線系統(tǒng)的匹配情況良好，則這個結(jié)果可以真實(shí)反映發(fā)射系統(tǒng)的輸出情況；如果發(fā)射天饋線系統(tǒng)的匹配不好（如SWR》1.5），則終端式功率計不能真實(shí)反 映發(fā)射系統(tǒng)的情況。而且終端式功率計僅能測試毫瓦級的小功率，對于大功率基站的測試無法勝任。
　　終端式功率計適合于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
　　
　　而通過式功率計則不同，它實(shí)際上是在傳輸線一側(cè)放置了一個耦合探頭，與發(fā)射機(jī)的工作波長相比，功率計傳感器的電長度幾乎可以忽略不計。所以只要將通過式功率計置于發(fā)射系統(tǒng)的某個截面，那么得出的結(jié)果是這個截面的正向和反射功率（VSWR）。
　　通過式功率計適合現(xiàn)場應(yīng)用
　　
　　這套方案可以定期監(jiān)測從測試節(jié)到天線的整段饋線通路的駐波比情況，發(fā)現(xiàn)天線系統(tǒng)匹配的任意微小變化，防患于未然。
　　6 結(jié)論
　　通過上述分析和實(shí)測，可以證明采用通過式功率計和天線分析儀的組合方案是解決蜂窩基站發(fā)射系統(tǒng)的功率和駐波比測試和長期監(jiān)測的完整解決方案。如需了解更進(jìn)一步的情況，或?qū)Ρ疚挠腥魏谓ㄗh和意見，可以直接和上海創(chuàng)遠(yuǎn)信息技術(shù)股份有限公司聯(lián)系。
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