Bird SA-6000XT天饋線分析儀測試案例分析

 1 內容提要
      一個完整的蜂窩基站由二大部分系統(tǒng)組成——發(fā)射機和天饋線系統(tǒng)。從發(fā)射機到天線之間有很多物理連接點，每個環(huán)節(jié)之間的良好匹配是保證系統(tǒng)正常工作的關鍵。從測試角度看，必須從二個方向來綜合考慮——從發(fā)射機的射頻輸出端口向發(fā)射機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，如用天饋線分析儀進行天饋線系統(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，并在討論的基礎上提出了采用通過式功率計和天饋線分析儀進行基站匹配測量的完整解決方法。
關鍵詞：發(fā)射機，天饋線系統(tǒng)，通過式功率計，天饋線分析儀，匹配，大功率，駐波比
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)射機和天饋線系統(tǒng)（圖1），當然蜂窩基站也不例外。
 

     從上圖我們不難發(fā)現，在整個發(fā)射系統(tǒng)中需要關注的測試點有以下這些：
     發(fā)射機的輸出端
     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故障——發(fā)射機的輸出功率放大器和天饋線系統(tǒng)。*，放大器是有源器件，其輸出S11 參數（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。另一部分容易出現故障的是從合路器輸出以后的整個天饋線系統(tǒng)，因為其絕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)中保護電路的工作而導致發(fā)射功率的下降 

3.2 天線故障

    雷電，水和風所造成的破壞
    來自紫外線輻射的破壞
    結冰和溫度的循環(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)境條件使天線防護罩的介質特性發(fā)生變化，從而導致天線性能的變化     

    電纜故障

    由于安裝引起的故障，如接地夾過緊而導致外導體變形

    電纜滲水     

    外導體腐蝕

3.3 接頭故障

    防水膠安裝不當導致進水     

    與電纜的內導體或外導體連接不良

    安裝過緊，或由于溫度的循環(huán)變化導致松弛
    從上述分析不難發(fā)現，發(fā)射系統(tǒng)和天饋線系統(tǒng)是決定整個系統(tǒng)正常工作的關鍵，而且這兩部分有很強的關聯性。這個關聯點就是發(fā)射機的射頻輸出端，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，這樣才能用對設備、
辦對事情。至此我們可以得出這樣的結論：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，通常采用網絡分析儀或者天饋線分析儀進行天饋線系統(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（駐波比）以外，還可以利用天線分析儀中的故障定位（DTF）功能非常準確的測量整個天饋線系統(tǒng)中任意一個物理點的駐波比，向基站維護工程師提供故障點位置的準確信息（圖3）。
 

     從前面的分析我們已經了解到，基站的匹配測量包括發(fā)射機和天饋線系統(tǒng)二大部分。天饋線分析儀可以準確測量天饋線系統(tǒng)的匹配情況，但是對發(fā)射機卻無能為力，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 型通過式數字功率計和SA-6000XT 型天饋線分析儀對整個系統(tǒng)進行的系統(tǒng)和細節(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。

     5012B 是一臺通過式數字功率計，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12dB）和CCDF。SA-6000XT 天饋線分析儀則可以在25~6000MHz 范圍內測量天饋線系統(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，可以測量天饋線系統(tǒng)輸入端的S11 參數（駐波比），對整個系統(tǒng)進行故障定位（DTF），還可以單端測量天饋線系統(tǒng)的S21 參數（插入損耗）圖6 是SA-6000XT 天饋線分析儀的測試結果。

     我們發(fā)現，SA-6000XT 對整個天饋線系統(tǒng)進行了一次系統(tǒng)的分析，對從發(fā)射機端口開始一直到天線，沒有任何的遺漏點，而對發(fā)射機本身卻無能為力。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)射機的輸出端，不但可以測量發(fā)射機的輸出功率是否在設計的范圍內；更加重要的是，它可以同時準確測量基站的正向和反射功率，并且可以直接讀出駐波比，這項測試為基站是否正常工作提供了至關重要的評判依據。

      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實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)射機和天饋線系統(tǒng)有機的結合起來進行了測試，這項測試*體現了系統(tǒng)真實的工作情況，這是天饋線分析儀所無法實現的。

     作為額外的功能，5012B 還能測量各種調制類型發(fā)射機的平均功率，峰值功率，突發(fā)功率，峰均功率比和CCDF 值，這些功能已經有專門的應用文章進行了討論。在本項測試中，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)射機真正輻射到空間的信號究竟有多大；這是網絡規(guī)劃和優(yōu)化工程師所關心的。位置②——可以檢查發(fā)射系統(tǒng)在某個位置的匹配情況，這是設備維護工程師所關心的。 

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)現與終端式功率計不同的是，通過式功率計真實的反映了一個發(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準的50Ω。在功率測量中，終端式功率計替代了發(fā)射機的負載，也就是說，終端式功率計將發(fā)射機的負載理想化了（圖8）。所以說，終端式功率計所測得的結果是發(fā)射機在理想負載時的輸出功率；如果發(fā)射天饋線系統(tǒng)的匹配情況良好，則這個結果可以真實反映發(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驗室應用。

    而通過式功率計則不同，它實際上是在傳輸線一側放置了一個耦合探頭，與發(fā)射機的工作波長相比，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，那么得出的結果是這個截面的正向和反射功率（VSWR）。

   通過式功率計適合現場應用     

    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)現天線系統(tǒng)匹配的任意微小變化，防患于未然。

6 結論

     通過上述分析和實測，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監(jiān)測的完整解決方案。如需了解更進一步的情況，或對本文有任何建議和意見，可以直接和上海創(chuàng)遠信息技術股份有限公司。 

7 產品介紹

7.1 SA-XT 系列天饋線測試儀 

7.1.1 特點應用

    單塊儀表（SA-6000XT）覆蓋整個25~6000MHz 頻率范圍！
    對初學者、偶爾使用者以及常用者均易現場操作。
    適用于*蜂窩和PCS/DCS 系統(tǒng)；支持CDMA，GSM，TDMA 和AMPS 調制系統(tǒng)的測試。
    其它應用包括第三代移動通信，廣播，政府，戰(zhàn)術軍事，微波，尋呼，公共安全，中繼通信，無線局域網，無線本地環(huán)路和集群系統(tǒng)。

    彩色顯示，陽光直射下清晰可見。    

    一次數據下載，可觀看故障定位或者匹配測試數據——無需存儲兩條曲線。

    FDR（頻域反射計）測量方法，對系統(tǒng)中關鍵部件狀況進行可靠評估。zui終在故障發(fā)生之前解決問題。
    故障定位模式指示電纜和天線系統(tǒng)中沿線各點的駐波比（VSWR）或者回波損耗值。

    電纜損耗功能測量在特定的頻率范圍內電纜系統(tǒng)的插入損耗。 

7.1.2 參數指標

7.2 Model 5012B 寬帶數字通過式功率傳感器

     配合BIRD 公司下一代數字功率計Model 5000-XT，天饋線分析儀及個人計算機（需要仿真數字功率計軟件VDPM），BIRD 寬帶功率傳感器5012B 成為功率測量強大而成熟的完整解決方案。其工作頻率范圍寬達350-4000MHz。

7.2.1 特點
    多功能，使用方便
    高性能價格比
    大動態(tài)范圍
    連接數字功率計，天饋線分析儀和個人計算機
    高方向性——30dB@3GHz，28dB@4GHz
    定向功率測量-正向和反向

    寬帶，不需要外加探頭 

7.2.2 測量模式

    真平均功率
    突發(fā)平均功率
    峰值功率
    峰值因子

    CCDF 

7.2.3 主要指標

    頻率范圍： 350MHz-4GHz
    zui大功率： 150W 平均值，400W 峰值
    USB 和RS-232 連接
    插入損耗： < 0.05dB@1GHz；< 0.1dB@4GHz

    插入駐波比：< 1.05@2.5GHz；< 1.10@4GHz

7.2.4 應用

    集群系統(tǒng)/P25（350-450MHz） 

    雙向無線電（UHF，模擬和數字）

    中繼系統(tǒng)
    lDAB，DVB
    TDMA，GSM，CDMA，CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA 等
    無線本地環(huán)路（3.5 至3.7GHz）
    ISM（半導體，醫(yī)療，2.45GHz）
    戰(zhàn)術軍事通信
    雷達 

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