蜂窝基站发射系统的匹配测量

    作者：朱辉

    1、概述

    从射频角度看，任何一个无线电发射系统都是由发射机系统和天馈线系统两大部分组成的，蜂窝基站发射系统也不例外。

    从发射机到天线之间有很多物理连接点，如发射机的输出端、合波器和滤波器的输入端/输出端、馈线的任意位置、天线的输入端等，每个环节之间的良好匹配是保证系统正常工作的要害。

    在整个蜂窝基站发射系统中，发射机的输出功率放大器和天馈线系统最轻易出现故障。放大器是有源器件，其输出驻波比不如无源器件那样更轻易接近理想值，而且外界条件（如电源）的变化、自身的稳定性和长期工作所造成的器件老化都会影响其输出功率（尤其是驻波比）。而从合路器输出以后的整个天馈线系统绝大部分处于室外，因此也很轻易出现故障。

    发射系统和天馈线系统是决定整个系统正常工作的要害，这两部分有很强的关联性。它们之间的关联点就是发射机的射频输出端，也就是天馈线系统的输入端。假如发射系统的输出驻波比非常理想，而天馈线系统处于失配状态，那么系统的功率就不能有效的辐射到空中；相反，假如天馈线系统处于理想的匹配状态，而发射系统的驻波比很差，系统功率同样无法有效辐射。因此，蜂窝基站发射系统的匹配测量必须从两个方向来综合考虑，一是从发射机的射频输出端口向发射机方向看过去的匹配情况，二是从天线输入端口向天线方向看过去的匹配情况。少了其中一项，如用天馈线分析仪进行天馈线系统的匹配测量，只能说完成了整个系统一半的测试。也就是说，大功率的测量和驻波比测量缺一不可，并且要贯穿整个测量过程。

    2、传统的测量方法

    传统的蜂窝基站发射系统匹配测量通常采用网络分析仪或者天馈线分析仪进行天馈线系统的匹配分析。这种方法除了可以测量天线输入端口的驻波比外，还可以利用天线分析仪的故障定位功能准确测量整个天馈线系统中任意一个物理点的驻波比，向基站维护工程师提供准确的故障点位置信息。但是，天馈线分析仪对发射机却无能为力，也就是说这种方法只能完成整个系统一半的测量工作。

    3、实现全面测量的解决方案

    采用BIRD公司的5012C型通过式数字功率计和SA-6000EX型天馈线分析仪可以对蜂窝基站发射系统进行全面的匹配测量，从而为基站发射系统的正常工作提供完整的评估依据。测试设备的网络连接如图1所示。

    图1  基站发射系统匹配测量设备网络连接示意

    5012C通过式功率计的系统组成如图2所示。5012C通过式功率计的核心部件是一个高方向性的定向耦合器，其自身的插入损耗和插入驻波比很小，所以即使串联在发射系统中也不会对系统造成影响。它的工作频率范围为350～4000MHz，测量功率范围为150mW～150 W，可以测量任何调制方式的基站的平均功率、峰值功率、突发功率、峰均功率比（高达12 dB）和CCDF。

    图2  5012C通过式功率计的系统组成

    SA-6000EX天馈线分析仪可以在25～6000MHz范围内测量天馈线系统的驻波比和损耗，实现故障定位，同时还可以作为5012C型通过式数字功率计的显示器。

    图3所示是一个更加细化的天馈线系统，将SA-6000EX天馈线分析仪接在位置④替代发射机，可以测量天馈线系统输入端的驻波比，对整个系统进行故障定位，还可以单端测量天馈线系统的插入损耗。

    图3  基站发射系统示意

    但是，SA-6000EX天馈线分析仪对发射机无能为力。至此，到了5012C通过式功率计发挥作用的时候了。

    将5012C通过式功率计串联在图3中的位置④，即发射机的输出端，不但可以测量发射机的输出功率是否在设计的范围内，而且可以准确测量基站的正向和反射功率（VSWR），并可以直接读出驻波比。这项测试可以为基站是否正常工作提供至关重要的评判依据。将其串联在图3中的位置③，即天线的输入端，可以确定发射机真正辐射到空间的信号强度。将其串联在图3中的位置②，可以检查发射系统在某个位置的匹配情况。

    4、通过式功率计与终端式功率计的区别

    通过前面的分析可以发现，与终端式功率计不同的是，通过式功率计真实地反映了一个发射系统中各个截面的正向功率和反射功率。

    终端式功率计的输入阻抗是标准值50Ω。在功率测量中，终端式功率计替代了发射机的负载，也就是说终端式功率计将发射机的负载理想化了。因此，终端式功率计所测得的结果是发射机在理想负载时的输出功率；假如发射天馈线系统的匹配情况良好，则这个结果可以真实反映发射系统的输出情况；假如发射天馈线系统的匹配不好（如VSWR＞1.5），则终端式功率计不能真实反映发射系统的情况。而且终端式功率计仅能测试毫瓦级的小功率，无法胜任大功率基站的测量工作。

    终端式功率计适合实验室使用，而通过式功率计适合现场使用。通过式功率计实际上是在传输线一侧放置了一个耦合探头，与发射机的工作波长相比，通过式功率计传感器的电长度几乎可以忽略不计。因此，只要将通过式功率计置于发射系统的某个截面，所测得值就是这个截面的正向和反射功率。