一、引言

天線方向圖遠場測試方法是最經典的測試方法，測試方法直觀，場地的性能可檢測，根據檢測的性能可推算方向圖測試的精度。比較理想的測試場應該是室內的，只要設計得當，性能是有保證的。但室內場的成本很高，一個單位不可能大量建設。甚至有的天線，根本就不可能建設滿足遠場條件的室內測試場。這時，建設室外遠場就成了唯一的選擇。

室外遠場雖然受天氣影響，但建設成本低，選擇的余地很多，滿足遠場條件也較容易找到。只要處理得法，仍然是一個比較實用的測試方案。

室外場除了不能全天候測試以外，如何找到一個只有直射波，沒有反射波的環境至關重要。事實上，找到沒有反射波的環境是不現實的，找到反射盡量小的環境是有可能的。隨著測試儀器的進步，結合數學理論，用數字信號處理的方法濾除環境反射是一個成本低，效果好的方法。使用這個方法，大大簡化了室外場對環境的選擇要求。

二、時域門消除反射信號的原理

根據傅里葉變換理論，信號在時間域的響應可以變換到頻率域的響應，或者反過來，在頻率域的響應可以變換到時間域。在一個域難以處理的信號，變換到另外一個域之后，可能處理起來就很容易。

天線方向圖室外遠場測試場的典型場地如圖1所示。

圖1. 室外測試場

選擇在兩棟建筑之間建立測試場是一個典型的做法。例如，在A棟樓頂放置一個測試轉臺，在B棟樓樓頂放置發射天線，兩棟樓之間的距離滿足遠場條件。利用樓高形成“深溝”減小地面反射的影響。

既然是選擇已有的建筑，就免不了有多余的建筑（對測試環境有破壞作用的建筑）。例如在附近有另外一棟建筑，這個建筑會反射信號。其中，反射到被測天線的那部分信號就構成的對測試環境的干擾，影響測試精度。

大部分我們所使用的天線都有一定的帶寬。移動通信所使用的天線通常是寬帶的。尤其是隨著移動通信標準的不斷往前推進，對天線的帶寬要求越來越寬。例如，目前4G移動通信天線要求的頻帶為1710MHz~2700MHz，其相對帶寬達46%。較寬的帶寬為使用數學方法消除反射提供了較好條件。

天線帶寬再寬，實用的天線不可能是從0到無窮的全頻譜。為了在有限的帶寬內取得較好效果，通常采用Chirp-Z變換。為了敘述方便，下面籠統稱為傅里葉變換。

利用傅里葉變換消除環境影響的原理如圖2所示

圖2

天線某方向的輻射強度通過矢量接收機（通常為矢量網絡分析儀）測量。數據為天線整個頻段范圍內的各頻率點的矢量強度，即頻率域的信號。此數據經過反傅里葉變換，變換到時間域。在時間域，不同的時間點反映的是從發射天線經不同路徑到達被測天線的信號強度。很顯然，從發射天線直接到達被測天線的路徑最短，所以最先到達。當被測天線的主波束對準發射天線，且極化相同時，這一到達信號幅度最大。如圖2“直射波”所示。其它各反射信號，因為所經歷的路徑比直射波長，花費了更多時間，所以到達時間晚于直射波。一般來說，反射信號因為反射體的材料，形狀以及空間衰減等因素的影響，其強度要顯著低于上述的直射波。如圖2“反射波”所示。從時域圖上可以看到，在時間軸上，很明顯看到直射波和反射波分布在不同區域，也就是明顯被分開了。而頻域響應是多徑信號共同作用的結果，無法區分。

為了濾除反射波，在直射波部分加一個“門”，只讓直射信號通過，反射信號被阻擋在“門”外。在數學上，時間域信號乘以一個“門”函數就達到了這個目的。經這樣處理后的時域信號再變換回頻域。此時，頻率域的響應信號僅剩下直射波的響應信號，反射波信號被濾除掉了。這就是時域“門”消除反射信號的原理。

三、時域“門”應用要考慮的因素

3.1 帶寬

如果是一個無限帶寬的信號，從頻率域變換到時間域，其時間的分辨率是無限精細的。但實際的天線不可能是無限帶寬的，總是工作在某個有限的頻帶范圍之內。一個有限的頻帶等效一個“門”函數乘以一個無限頻域的信號響應。門函數變換到時間域，不再具有無限精細的時間分辨率，而是一個“模糊”的區域。如圖3所示。如果把門函數的時域響應的主瓣作為時域分辨率的話，其時域分辨率的與帶寬的關系為：

Δt=1/(fstop-fstart)=f/fspan

圖3

計算示例：

以移動通信所使用的頻段為例

表1

	fstart(MHz)	fstop(MHz)	Δt=1/(fstop-fstart)	Δd=c*Δt
1	1710	2170	2.17ns	0.65m
2	1710	2700	1.01ns	0.3m

從表一可知，帶寬越寬，距離分辨越高。

3.2 測試距離與頻率點數

數字測量儀器不能連續測量信號，而是把一個頻段劃分若干個頻率點，然后測量這些點頻的信號。在數學上，這等效一個沖擊信號系列與連續頻率響應信號相乘。頻域的兩個信號相乘，等效于各自信號的時域響應在時域的卷積。沖擊信號變換到時域仍然是沖擊信號，與天線的頻域測量信號變換到時域的信號卷積后，造成一個周期性響應信號。這個信號的周期反映了所能觀察到的最大傳播距離。超過這個距離的信號被掩蓋掉了。如圖4所示

圖4

頻域的采用頻率與時域的重復周期的關系為：

Δf=1/T
Δf=(fstop-fstart)/N
N-頻率點數

式中T是能夠清楚分辨的最小時間窗口。信號從測試設備的信號源經電纜到發射天線、發射天線到被測天線之間的直線傳播、被測天線、接收電纜、一直到接收機。整個鏈路信號傳播所花的時間必須要小于這個參數。頻帶寬度由天線本身的特性所決定。根據頻帶寬度，測試場地和設備（決定了傳播時間），就能推算出最少的頻率點數。

頻率點數與測量速度是矛盾的。頻率點數越多，掃描速度越慢。但能“看”到的距離也越遠。在能“看清”整個被測天線的情況下，盡量減少測量點數，以提高測試速度。

計算舉例

測試距離：80m
發射和接收電纜等效長度：160m
T=(80+160)/C=0.8us
Δf=1/T=1.25MHz

表2

	fstart(MHz)	fstop(MHz)	N≥(fstop-fstart)/ Δf
1	1710	2170	368
2	1710	2700	792

由表2可知，對于確定的場及測試系統，所測試的頻帶越寬，所需要的掃描頻率點越多。

3.3 附加效應問題

時域加“門”后，門函數在頻域的響應必須與原函數的頻域響應進行卷積，結果就造成頻域響應的畸變（響應曲線有差異）。正常情況下需要對畸變進行校準，以恢復正常響應。但在方向圖測量過程中，由于只是看各位置的相對信號比，可以不必校準。但要注意，因為畸變的程度與被測信號的頻帶密切相關，如果需要與標準增益喇叭對比確定被測天線增益，則測量標準增益喇叭電平的條件必須與被測天線的相同。

3.4 “門”的寬度問題

時域門的寬度選擇要遵循的原則是既不能太窄，也不能太寬。太窄過濾掉了本應被被測天線接收的那部分信號，造成測量失準；太寬有可能放進來反射信號。如圖5所示

圖5

為了保證第一點，門的寬度應該是天線長度,兩端再各加一個天線距離的分辨率。即：

 T≥(L+2*dδ)/C
L：天線長度
dδ：距離分辨率=C/fspan

確定T后。要保證d1+d2-D>L/2+dδ。對于d1+d2-D<L/2+ dδ區域的信號（即反射信號落在時間門里面），要通過其它方法消除掉。因為此部分信號不能被時域門濾掉。

3.5 確定直射波

應用時域門時，必須要將時域門的中心設置到直射波到測試轉臺的旋轉中心，保證在旋轉過程中，天線長度加上距離分辨率不超出門之外。3.2節敘述了直射波的大致確定方法。對一個確定場來說，此參數只需要確定一次。如果精確知道測試距離，信號傳輸電纜長度及介質特性，直射波傳輸時間可以精確計算。但有時確定這些并不容易。甚至，當更換一根測試電纜時，如果新電纜的長度或介質特性與原來的不一致，此參數必須重新計算。這在工程上很容易忽略或出錯。一個更簡單的方法是通過時域自動確定此參數。

當被測天線的主波束大致與發射天線相對且極化相同時，在時域，直射波電平必然最高。利用此特性，可以用如下方案自動確定直射波：

被測天線大致對準發射天線，極化轉到一致。

VNA（矢量網絡分析儀）設置足夠多掃描點，并變換到時域。

打開VNA的Marker，用Marker找到最高值。

將時域門的中心設置到最高值處。

注意第一條件很重要，否則有可能找到的不是直射波。

三、方案實施

方案的硬件部分與普通的遠場方案完全相同，不同的是軟件部分。包括測量控制軟件和傅里葉變換軟件。測量控制軟件要自動完成上述掃描頻率點數的計算及設置，時間門的寬度，時間門的中心的設置，門函數形式的選擇等。

傅里葉變換軟件有兩種方式，一種是VNA內置的，一種是自行編制。頭一種方法比較便捷，缺點是需要額外購買許可證，增加成本。后一種方法需要將掃描的所有頻率點數據傳輸到控制計算機，由控制計算機進行計算。這種方法不需要VNA具有時域能力，但傳輸和處理大量數據，有可能減慢測試速度。如果有條件使用前一種似乎是更好的選擇。

四、效果對比

摩比天線技術（深圳）有限公司某室外測試如圖6照片所示

圖6

由圖片可以看出在測試轉臺后方一側有一突出的建筑屋，這個建筑屋會有散射信號對測試結果造成影響。發射天線在照相者的后方。其位置關系大約如圖7所示。

圖7

在此場地對Satimo公司隨設備提供的金樣機（8單元線陣天線，頻率：1710~2170MHz）進行了測試。圖8 分別是時域門打開（綠色）和關閉（藍色）時測試的方向圖，從圖上可以看出，當時域門關閉時，建筑屋所在的位置，呈現明顯的駐波特性（一種有反射信號干涉的特征），顯示了建筑屋反射對方向圖測試的影響。而當時域門打開后，方向圖變得光滑，顯示反射信號被濾除掉。

圖8

五、建議及總結

5.1 營造較好的測試條件是根本，數學方法是最后的選擇。

由于使用此方法需要一定的條件，比如被測天線有一定的帶寬等，設置很多參數等，做得不對會得到錯誤的結果。

5.2 注意使用條件。

各項參數必須正確設置，例如時域門的位置必須準確確定及設置，距離與頻率點的關系，增益比較等。

5.3 如果合理使用，可以取得較好的效果。

參考資料

【1】吳大正，信號與線性系統分析
【2】韓曉東，黃珍元，鄭利穎。基于chrip-z逆變換矢量網絡分析儀時域測量技術，電子測量技術，2003年，第三期
【3】R&S®ZVA/ R&S®ZVB/ R&S®ZVT，Vector Network Analyzers Operating Manual