移動通信基站駐波系數檢測及優化

劉志敏

京信網絡系統股份有限公司

0 引言

移動通信是當前全球發展最快的行業之一，也是當今高新技術的代表和國家戰略性基礎設施。建設優質的移動通信網絡，既有利于壯大信息消費、拉動有效投資，促進工業化、信息化、新型城鎮化和農村現代化建設，也可以創造就業，擴大內需，推動“內循環”的穩步發展。基于蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Thing，NB-IoT）是移動通信在5G領域一個新的應用，支持低功耗設備在廣覆蓋的廣域網的蜂窩數據連接。NB-IoT宏基站是NB-IoT網絡的重要組成部分。NB-IoT宏基站為了提升線性度和效率，普遍使用數字預失真（Digital pre-Distortion，DPD）技術。

在實際工程使用過程中，天線異常、工程安裝不規范等問題，會導致基站輸出所接負載不匹配，回波顯著提高，導致設備輸出功率明顯降低、覆蓋范圍顯著縮小、覆蓋邊緣的物聯網終端接入不穩定甚至離線。如果長期處于這種狀態，還將導致設備運行穩定性下降、設備可靠性降低，甚至出現設備燒毀的現象。基于此，駐波測試和告警就顯得尤為重要。

1 駐波檢測方案

劉暢遠等學者描述了在雙工器輸出端參考點B處增加耦合器，耦合雙工器輸出端口前向和反向功率，然后計算出雙工器輸出口駐波。該方案在主通路上增加了額外耦合器，降低了基站輸出功率和靈敏度，同時，增加了耦合器和功率檢測電路，導致硬件成本明顯增加。

朱加強等學者描述了利用在PA（Power Amplifier）模塊和雙工器模塊之間耦合器，引出耦合器的反向功率，通過切換開關，復用DPD反饋回路進行功率檢測。該方案成本增加不明顯，但是所檢測的是雙工器下行輸入口參考點A處的駐波，不是雙工器輸出口參考點B處的駐波。當雙工器端口駐波不等于1時，該方案測量的駐波和實際駐波之間存在明顯誤差。如圖1所示。

圖1 宏基站駐波檢測方案

本設計在不顯著增加硬件成本、不在主鏈路增加額外損耗的前提下，精確測量并計算出參考點B處的駐波。

2 理論推導

二端口網絡可以使用S矩陣進行描述，S參數矩陣方程定義為：其中，V和I分別為每一端口電壓和電流的列向量，zk0是每一端口

其中，ak是端口k的入射波，bk是端口k的反射波（k=1, 2）。的特性阻抗。

從上述S矩陣方程可以看出，當2端口接匹配負載時，被完全吸收，為零：

可以看出，S11表示的物理意義是端口2接匹配負載時，端口1的電壓反射系數；S21表示的物理意義是端口2接匹配負載時，端口1到端口2的傳輸系數。

當1端口接匹配負載時，b1被完全吸收，a1=0：

同理，可以看出，S22表示的物理意義是端口1接匹配負載時，端口2的電壓反射系數；S12表示的物理意義是端口1接匹配負載時，端口2到端口1的傳輸系數。

對于端口1：

3 駐波檢測方案實現

如圖1所示，在上行低噪放輸入端口匹配較好的情況下，可以將雙工器等效為二端口網絡。其中，A參考面為端口1，B參考面為端口2。對于該二端口網絡S參數，以方程的形式描述如下：

對于該系統進行如下校準：在端口2分別接匹配負載、全反射負載和駐波為2（反射系數為1/3）的失配負載，從端口1輸入相同的入射波，測試端口1的反射波，分別記作a1，b11，b12，b13。考慮到該雙工器是互易網絡，得到如下方程組：

在該方程組中，有S11，S12，S21，S22，a22，b22，a23，b23共8個未知數，解該八元一次方程組得到S11，S12，S21，S22。于是，得到了雙工器二端口網絡的S參數。

當B參考面接任意負載時，都可以在A端口輸入入射波，測試入射波和反射波功率，從而計算出B端口的入射波a2和反射波b2。從B參考面向天線端看過去，入射波為b2，反射波為a2。通過b2和a2就可以計算出天線口的駐波系數：

4 結束語

利用功放和雙工器之間的DPD功率檢測，實現了功放末端的VSWR檢測。通過3次校準，計算出雙工器二端口網絡的S參數，從而推導出使用雙工器前端入射功率和反射功率計算出天線口VSWR的計算公式，實現了低成本高精度的駐波檢測方案，在實際基站中得以應用，取得較好的效果。