移動通信基站天線互調的參數化分析方法

吳衛華

（武漢虹信通信技術有限責任公司，湖北 武漢 430205）

移動通信基站天線互調的參數化分析方法

吳衛華

（武漢虹信通信技術有限責任公司，湖北 武漢 430205）

針對當前基站天線設計生產廠家的互調經驗分析方法，提出了基站天線互調的參數化分析方法。通過引入能量和相位的概念，介紹了基站天線互調設計原則，研究了基站天線互調生產參數化管控手段，分析了基站天線互調返修中的參數化故障定位方法，并通過實驗證實了在3個環節之間建立有效的參數化反饋機制可以實現參數化分析基站天線互調。

基站天線 互調 時域反射 故障定位

1 引言

在移動通信系統中，基站天線是收發信機與外界傳播介質之間的接口。同一副基站天線既可以輻射又可以接收無線電波：發射時，將收發信機饋給的射頻電能轉換為電磁波能；接收時，把電磁波能轉化為射頻電能并輸送到收發信機。網絡運營商為提升網絡質量、增加覆蓋范圍，收發信機的機頂功率在不斷增加，基站天線也由定向天線升級為電調天線，由雙端口單頻天線升級到10端口5頻天線，同時基站天線的三階互調最低要求也達到了-107dBm。

基站天線的主體結構由外罩、反射板、饋電網絡以及振子組成，饋電網絡可進一步細分為端口跳線、功分器、接線端子、移相器等部件。現有基站天線設計生產廠家：在天線互調設計中，遵循的是經驗設計方法；在天線互調生產控制中，遵循的是過程管控方法；在天線互調返修中，遵循的是經驗排除方法。3個環節之間缺乏有效的參數化反饋機制，需要大量有長期互調實踐經驗的工程師，通過在各自領域積累的經驗和知識，來支持整個基站天線的互調設計保證、互調生產直通率、互調返修合格率及效率。

隨著移動通信技術的發展，基站天線在向雙極化、電調、多頻、振子復用方向演進，如圖1所示。基站天線在向多頻多端口演進的同時，其體積受鐵塔安裝空間限值不能增加太多，同時部分網絡運營提出了比三階互調-107dBm更高的要求，互調要在天線小型化的基礎上繼續優化提高，基于經驗的互調分析方法已經不能滿足基站天線互調設計實現、互調生產直通率以及互調返修合格率和效率。

圖1 基站天線技術演進示意圖

基于此，本文建立了移動通信基站天線互調的參數化分析方法：在能量和相位的維度，將基站天線互調參數化分解到各部件，明確提出各部件互調要求，并編制出以各部件互調值為參數的基站天線互調參數化表格。在基站天線互調參數化分解到各部件的基礎上，利用參數化分析方法，明確基站天線在預制、焊接、裝配、清潔各個環節對人、機、法的參數化要求，互調生產直通率通過互調工藝設計實現。基于能量和相位，搭建可參數化定位基站天線互調故障點和故障值的互調測試平臺，準確判定基站天線互調故障點，提升基站天線互調返修合格率和效率。

2 基站天線互調參數化設計

基站天線互調參數化設計方法包括以下步驟：

（1）如圖2所示，以某基站天線連接收發信機的端口為起點、將射頻電能轉換為電磁波能的振子為終點，將射頻傳輸的途徑分成2個部分：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，其等同于饋電網絡；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的4大因素（電鍍、焊接、接觸、清潔）分解到基站天線2個部分中去。

圖2 基站天線饋電網絡示意圖

（4）根據能量分配原理，將端口反射互調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：

根據能量合成原理，同相位的三階互調產物在反射互調時直接疊加合成，公式如下：

（5）根據饋電網絡中功分器的特征，可得出各振子的能量方程；根據基站天線電下傾角調整對應的移相器電長度變化，可得出各振子相位方程。這2個方程可綜合為各振子的能量相位方程，根據能量合成原理，存在相位差的三階互調產物可通過三角函數方程合成：

（6）載波功率每增減1dB，則三階互調產物增減3dB。

（7）饋電網絡中各部件的互調設計要求值可通過步驟（4）和步驟（6）參數化。

（8）第2部分振子的互調設計值可通過步驟（5）和步驟（6）參數化，由于相位差影響，互調設計值有一個區間，最差值對應最小的下傾角，最優值對應最大的下傾角，振子互調設計值取最差值。

（9）材料的缺陷、磁滯等決定材料互調，當部件材料互調值低于部件互調設計理論值時，部件互調設計理論值由材料決定。通過步驟（6）可發現，材料在對應不同載波功率時互調產物不同。材料互調值和部件互調設計理論值的比較要基于對應的載波功率。

3 基站天線互調生產參數化管控

基站天線互調生產參數化管控方法包括以下步驟：

（1）基站天線各部件的互調設計值為理論值，在實際生產中會由于電鍍、焊接、接觸、清潔這4大因素離散化的同時惡化。

（2）互調離散度主要由以下幾點決定：

◆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；

◆是否配置過程檢驗排除互調不合格部件。

（3）如圖3所示，為保證互調直通率，有2個措施：措施1為提高互調設計理論值（當為材料互調受限時，提升材料互調值），冗余較大的互調離散化及惡化；措施2為合理的互調設計理論值，減小互調離散，降低互調惡化程度。

圖3 基站天線互調離散度示意圖

（4）步驟（3）中，措施1會增加基站天線某些部件互調設計難度（或提升材料互調要求），提升互調直通率保證成本；措施2可通過基站天線互調生產參數化管控方法實現。

（5）互調設計理論值無法提供較大余量的，可通過減小互調離散度實現。

（6）互調設計理論值有較大余量的，可適當放寬互調離散度，降低生產管控要求。

（7）對于影響互調離散度的第1、2、3點因素，可通過大量生產質量數據，再通過統計學的方法形成影響互調離散度參數。對于影響互調離散度的第4點因素，在前3點因素可控后，形成雙重保險，提升互調直通率，并同步收集了新的質量數據為再次優化影響互調離散度參數做好準備。

4 基站天線互調返修中的參數化故障定位

基站天線互調返修中的參數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值，若存在互調測試值隨著電下傾角度增加逐漸變好但最差值低于互調合格值時，可判斷互調故障點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、清潔等生產管控點，通過返修解決，再次測試互調，若仍不合格，繼續排查能量次大、相位差次小的成對振子，直到互調合格。

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

（3）將同軸電纜的長度、PCB上的蝕刻電路長度轉換成基于雙音射頻信號和三階互調產物對應頻率的電長度，其中雙音射頻信號頻率對應f1、f2，三階互調產物對應頻率為2f2-f1，電長度對應的頻率取3個頻率的算數平均值為：?

（4）如圖4所示，根據基站天線部件距離端口的電長度，將基站天線饋電網絡不同部件互調設計值繪制成圖表。橫坐標為電長度值、縱坐標為部件三階互調產物值，在圖表上根據互調參數化設計和互調參數化生產數據，預先繪制出2條軌跡：第1條軌跡與橫坐標平行，縱坐標值為基站天線互調合格值；第2條軌跡為計算互調離散度后的部件互調設計實際值。

（5）搭建可參數化定位基站天線互調故障平臺，此平臺基于時域反射原理，通過軟硬件一體化配置，可跟蹤雙音射頻信號發出到接收到三階互調產物的時間和幅度，并轉化成圖4中的連續標記點，通過與圖4中2條軌跡的比對，直觀顯示部件故障互調值和故障位置。

（6）可參數化定位基站天線互調故障平臺通過預先校準，將圖4橫坐標的電長度零點調整為基站天線端口。

圖4 基站天線互調返修參數化故障定位

5 結束語

采用基站天線互調參數化設計方法，引入能量和相位的概念，將基站天線互調參數化分解到各部件，明確提出各部件互調要求，并編制出以各部件互調值為參數的基站天線互調參數化表格，改變了傳統天線互調設計主要依靠經驗的方法，可以大大減少工程師的互調實踐經驗積累，進而減小互調設計風險和周期，且使得基站天線互調設計完全參數化。

采用基站天線互調生產參數化管控方法，引入互調離散度的概念，并將互調離散度的影響因素通過統計學的方法參數化，改變了傳統天線互調生產無法量化對人、機、法的要求，互調生產直通率不高且有波動的問題，可以大大提升互調生產直通率且能對其不斷進行優化。

采用基站天線互調返修中的參數化故障定位方法，引入對應頻率的電長度概念，并繪制橫坐標為電長度值、縱坐標為部件三階互調產物值的圖表，將實際測量的互調產物經過頻域變化為基于電長度的互調值，經過對比可直觀發現部件互調故障點和故障值，改變了傳統天線互調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實踐經驗，可以大大提升互調返修效率和返修合格率。

在移動通信基站天線互調分析方法領域，本文通過突破本領域的慣性認知，可以實現參數化分析基站天線互調。

[1] 馮慶華. 無源互調干擾在移動通信網中的危害及消除措施[J]. 科技創新與應用, 2012(19): 69-70.

[2] 范頌東. 基站天線無源互調干擾的分析與預防[J]. 機電信息, 2014(9): 146-148.

[3] 王飛,李長生,嚴來良,等. 淺談多層天線板三階互調的控制[J]. 印制電路信息, 2012(S1): 406-409.

[4] 賈瑞君. 關于移動通信基站天線互調指標的研究[J]. 移動通信, 2014(19): 43-46.

[5] 葉強,周浩淼,鄒新民,等. 基于計算機一體化無源互調測試系統的研究[J]. 儀器儀表學報, 2009(7): 1540-1545.

[6] 唐志輝,李洪超,王蘇明. 非線性媒質無源交調電平預測[J]. 中國空間科學技術, 2010(3): 43-50.

[7] 杜援,邱陽,戚文敏,等. 淺談移動通信系統中互調干擾的產生和排查[J]. 數字技術與應用, 2014(3): 40.

[8] 弓永明,劉浩鑫,邱蘊. 功分器在相控陣饋電網絡中的應用[J]. 電子科技, 2014(4): 85-87.

[9] 趙建勛,陸曼如,鄧軍. 射頻電路基礎[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2010.

[10] 朱輝. 實用射頻測試和測量[M]. 2版. 北京: 電子工業出版社, 2012.

[11] 雷振亞. 射頻/微波電路導論[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2005.

[12] 中國移動通信集團公司. GSM天線設備規范[Z]. 2011.★

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

吳衛華. 移動通信基站天線互調的參數化分析方法[J]. 移動通信, 2015,39(12): 25-28.

2015-03-14

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

吳衛華：工程師，學士畢業于武漢大學，現任職于武漢虹信通信技術有限責任公司天饋事業部，主要從事基站天線、多系統接入平臺和無源器件的結構工藝研究工作。