天饋系統(tǒng)的測試原理及應(yīng)用

天饋系統(tǒng)的測試原理及應(yīng)用摘要：本文從天饋系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以及對射頻信號覆蓋質(zhì)量的影響出發(fā)，闡述了保持射頻基站天饋線系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要性，并詳細(xì)介紹了利用BIRD網(wǎng)絡(luò)分析儀對基站天饋系統(tǒng)進(jìn)行測試和故障診斷的方法。關(guān)鍵詞：駐波比匹配頻率特性DTF一、背景概述射頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和接收信號都是通過天饋系統(tǒng)來完成的。天饋線系統(tǒng)的安裝質(zhì)量和運(yùn)行情況的好壞將直接影響到射頻信號的質(zhì)量、覆蓋范圍和發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)天饋系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，射頻信號將會產(chǎn)生損耗，從而影響覆蓋范圍，假設(shè)天饋線系統(tǒng)出現(xiàn)的故障較為嚴(yán)重時(shí)，極有可能對前級設(shè)備造成損壞。天線、射頻電纜和接頭是天饋線系統(tǒng)最容易產(chǎn)生故障的三個地方。如在安裝時(shí)不合安裝標(biāo)準(zhǔn)會造成天線的排水不暢，下雨天時(shí)易導(dǎo)致天線內(nèi)積水；對接頭的處理不好，在潮濕或下雨的天氣易造成接頭的進(jìn)水，假設(shè)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，那么會進(jìn)一步損壞饋線。在城市里受到各種條件的限制，許多地方?jīng)]有足夠的空間適合天線的安裝，在這樣的情況下所安裝的天線不能確定其旁瓣和后瓣的去藕度，從而影響隔離度。因此，對天饋線系統(tǒng)進(jìn)行日常的維護(hù)測試，是十分必要的。二、天饋系統(tǒng)測試?yán)碚摳?.頻域特性的測量原理：測量設(shè)備按照操作者輸入的頻率范圍，從低向高發(fā)送射頻信號，之后計(jì)算每個頻點(diǎn)的回波，后將總回波與發(fā)射信號比擬來計(jì)算SWR值。頻域測量包括駐波比〔VSWR〕、回波損耗〔RL〕和饋線損耗〔CL〕測量。駐波比〔VSWR〕、回波損耗〔RL〕是對天饋線好壞的量的描述，而饋線損耗〔CL〕是表示傳輸線在某頻點(diǎn)的插入損耗。2.故障距離定位DTF的測量原理：儀表發(fā)送某一頻率信號，當(dāng)遇到故障點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生發(fā)射信號到達(dá)儀表接口時(shí)，儀表依據(jù)回程時(shí)間乘以傳輸速率來計(jì)算故障點(diǎn)，并同時(shí)計(jì)算VSWR，所以DTF的測試與PROPV-傳輸速率和LOS-電纜損耗有關(guān)。它可以有回波損耗〔RL〕和駐波比〔VSWR〕兩種表示形式。兩者都可用來找出故障點(diǎn)，但饋線損耗〔CL〕不會出現(xiàn)在距離域。必需知道的根本概念1.匹配在低頻段，電路上傳輸?shù)碾妷褐档膿p耗幾乎是可以忽略不計(jì)的。絕大多數(shù)的電路都是高阻入低阻出。但是在射頻電路應(yīng)用當(dāng)中，特別是在傳輸線長為四分之一波長的時(shí)候，信號是以波的方式傳送。在任何情況下所有的波都不全是傳送到了負(fù)載上面，總有一局部被反射了回去。從理論上說射頻電路設(shè)計(jì)的目的就是將所有的功率都傳送到負(fù)載上而沒有一點(diǎn)得損耗。任何的反射功率的產(chǎn)生都意味著不是所有的功率都加載到了負(fù)載上。所以失諧是一個關(guān)鍵的參量。射頻電路中因?yàn)橛写罅坎煌瑢傩缘淖杩购蛡鬏斁€導(dǎo)致了反射功率和損耗的產(chǎn)生。為了減少反射的損耗，我們引入了匹配的概念。匹配就是饋線終端所接負(fù)載阻抗ＺL等于饋線特性阻抗Ｚ0的時(shí)候。匹配時(shí)，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波。因此，當(dāng)天線作為終端負(fù)載時(shí)，匹配能保證天線取得全部信號功率。如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時(shí)天線的工作頻率范圍就較寬。反之，那么較窄。在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過測量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。2.特性阻抗在射頻電路中，同軸電纜用于電路外部的連接，而內(nèi)部那么根本上使用微帶的方式連接。這些元件都有著不同的特性阻抗。至于傳輸線表現(xiàn)出何種的屬性的阻抗那么取決于連接導(dǎo)體的幾何形狀，導(dǎo)體的性質(zhì)，和絕緣層的支撐等等。在實(shí)際的射頻應(yīng)用當(dāng)中，傳輸線的特性阻抗和元器件的輸入輸出阻抗都是設(shè)計(jì)為50或75歐姆。50歐姆的阻抗優(yōu)先的使用在功率傳輸?shù)南到y(tǒng)中，而75歐姆的系統(tǒng)那么是為了最小衰減而設(shè)計(jì)的，諸如電纜系統(tǒng)。大多數(shù)的射頻無線傳輸系統(tǒng)都是傾向于50歐姆特性阻抗的系統(tǒng)。當(dāng)天線阻抗為50歐時(shí)，與50歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗為80歐時(shí)，與50歐的電纜是不匹配的。為將反射功率降到最小，射頻電纜和元器件在用于無線測試測量時(shí)都設(shè)計(jì)成50歐姆。另一方面，當(dāng)阻抗匹配的時(shí)候?qū)⒛塬@得最正確的功率傳輸效果。3.駐波比和回?fù)p當(dāng)一個波通過一個特性阻抗后傳向不同屬性的阻抗時(shí)將會發(fā)生反射和透射。如果他們的特性相同的話是不會發(fā)生反射的。假使一個反射波導(dǎo)致了阻抗的不連續(xù)，那將會涉及到傳輸線不同的兩個方向上去。如果同相的兩個波疊加就會產(chǎn)生電壓的最大值Vmax,而如果相位反轉(zhuǎn)180度的話就會得到Vmin.Vmax同Vmin的比值就是標(biāo)準(zhǔn)電壓波形比。就是通常所說的駐波比。這是一個將接頭或者傳輸線的特性阻抗調(diào)整到50歐姆的方法?；?fù)p是用來測量反射信號衰減的。下列圖給出他們的根本算式:4.發(fā)射天線天線是承載實(shí)際調(diào)頻信號的實(shí)體，輸入阻抗是從天線的饋電點(diǎn)向天線回路看過去，天線回路所呈現(xiàn)的阻抗。它可以用饋電點(diǎn)的電壓電流之比來表示。輸入阻抗取決于天線的尺寸、形狀和工作頻率，天線周圍的物體以及環(huán)境。常用的輸入阻抗一般都為50歐姆或者75歐姆。天線與分饋線匹配的時(shí)候，發(fā)射損耗就小即駐波比小。5.主流使用的接頭，電纜和元件BNC接頭的線必須工作在500兆赫茲以下。在射頻波段，傳輸線一般都是N型接頭或者SMA接頭。檢測儀器廣泛使用的是N型接頭因?yàn)樽銐虻慕Y(jié)實(shí)，能夠加載高功率并且可以上到18千兆赫茲以上。SMA比N要小點(diǎn)而且更多的用于低功率場合〔相較于N型而言〕，但是它也可以用于18千兆赫茲。幾乎所有的射頻電纜都是同軸的。同軸的射頻電纜是不能彎曲使用的，或者說只能彎曲在一個很小的范圍內(nèi)。相較于低頻電纜在射頻電路中我們必須對傳輸線以更多的關(guān)注。過度的彎曲電纜或者將電纜彎曲成銳角直角都將損壞電纜，就算沒有損壞也會降低電纜的性能。在低頻電路當(dāng)中電路就是簡單的將所有元器件連接在一起。而在射頻電路中那么不僅僅器件連接還要將所有的接頭全部擰緊。確保完全擰緊而且接頭之間的插入損耗最小。三、天饋系統(tǒng)測試方法可對天饋線進(jìn)行測試的儀表有：頻譜儀、TDR和SITEANALYZER。用頻譜儀測量天饋線的駐波比時(shí)，是先測量前向功率和反向功率，得出回?fù)p值，再通過查回?fù)p值與駐波比的對照表得出駐波比值；用TDR只能大致觀察天饋線的波形，來判斷哪點(diǎn)出了問題；而用SITEANALYZER測試儀可直接測得天饋線駐波比的數(shù)值和天線的隔離度，并可快速地進(jìn)行故障定位。SITEANALYZER是BIRD〔鳥牌〕公司生產(chǎn)的一種手持式電纜和天線分析儀，采用頻域反射計(jì)技術(shù)。它具有體積小、操作簡單等特點(diǎn)，便于技術(shù)人員在現(xiàn)場對天饋線進(jìn)行測試，是多功能測試設(shè)備，用于天饋系統(tǒng)的安裝和維修。在用戶指定的頻段或測試范圍內(nèi)，儀器的238個采樣點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)繪制在圖表上，以此來表征天線天饋系統(tǒng)的特征。其測量結(jié)果可以用VSWR〔電壓駐波比〕或者回波損耗來表示。天饋線故障定位可以精確地找出影響整個天饋線系統(tǒng)匹配的問題所在了。使用天饋線分析儀和測量射頻功率的BIRD功率傳感器可實(shí)現(xiàn)對傳輸系統(tǒng)的測試，測試結(jié)果通過功率值或者匹配效率來表示。SITEANALYZER測試儀并可與計(jì)算機(jī)相連，通過在Windows環(huán)境下運(yùn)行的軟件可對其數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。下面簡要的介紹下用SITEANALYZER對天饋線進(jìn)行測試和維護(hù)的方法。選擇測量范圍注意：更換頻率設(shè)置那么儀器自動關(guān)閉校準(zhǔn)菜單，因此在校準(zhǔn)前一定要設(shè)置好頻率。進(jìn)行校準(zhǔn)校準(zhǔn)件包括：50歐姆負(fù)載，標(biāo)準(zhǔn)開路器，標(biāo)準(zhǔn)短路器〔實(shí)物圖-9〕。分別連接OPEN端口，SHORT端口，負(fù)載端口，進(jìn)行相應(yīng)操作。注意：要想得到最精確的結(jié)果，請?jiān)跍y量前校準(zhǔn)天饋測試儀。測量模式天饋系統(tǒng)的駐波比或者回波損耗模式本測量可以驗(yàn)證并檢測天饋系統(tǒng)在不同頻率點(diǎn)上的匹配情況。其測試結(jié)果在X-Y軸上表示，X軸指示頻率，Y軸指示回波損耗/電纜損耗/駐波比VSWR。頻率設(shè)置量程及單位設(shè)置電纜損耗測量設(shè)置故障門限標(biāo)記點(diǎn)調(diào)整天饋線系統(tǒng)的故障定位和傳輸線的距離測量模式故障定位模式可找出天饋線系統(tǒng)中阻抗不連續(xù)點(diǎn)〔故障點(diǎn)〕所處的位置。測量結(jié)果顯示在X-Y軸圖表上。X軸顯示到天饋線分析儀的距離。Y軸顯示不連續(xù)點(diǎn)的相關(guān)強(qiáng)度。設(shè)置頻率跨度設(shè)置電纜類型設(shè)置測試距離設(shè)置測試量程和單位設(shè)置故障門限標(biāo)記點(diǎn)調(diào)整功率測量模式天饋線測試端口只能用來測試無源系統(tǒng)，當(dāng)測量功率時(shí)，需將外部功率傳感器連接到功率端口。為了得到精確的測試結(jié)果，測量前應(yīng)選擇適宜的前/反向功率探頭并根據(jù)相應(yīng)的前向功率來設(shè)置儀表功率范圍。注意：要想得到最精確的結(jié)果，邀確保傳感器連接到天饋線分析儀并且測試儀至少已開機(jī)5分鐘。校準(zhǔn)時(shí)傳感器上不能加載功率。連接功率傳感器設(shè)置滿量程功率設(shè)置偏移量存儲測量曲線注意：儀表曲線和設(shè)置能夠以非易失性的方式進(jìn)行存儲，同時(shí)可保存可描述曲線特征的名稱、測量日期/時(shí)間等相關(guān)信息。四、結(jié)束語市場劇烈競爭要求射頻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，降低每個基站的維護(hù)開銷。SITEANALYZER的頻域反射計(jì)(FDR)技術(shù)，使得在重大故障發(fā)生前，就可以發(fā)現(xiàn)細(xì)小的、難于確認(rèn)的問題，打破了傳統(tǒng)的故障之后再修理的維護(hù)方法。60－80％的基站典型故障都是由于有問題的電纜、連接頭和天線引起的。當(dāng)電纜/天線被潮化或被損壞或放置不當(dāng)，SITEANALYZER能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題。SITEANALYZER能夠數(shù)秒鐘之內(nèi)在地面就能精確定位天線故障而不用爬到塔上去了。密封條安裝得不好的話將腐蝕連接器，如果沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的話，會逐漸損壞昂貴的同軸電纜。SITEANALYZER有足夠的靈敏度在電纜被損壞之前就發(fā)現(xiàn)連接頭問題。DTF〔故障距離定位〕能夠清楚給出故障所在點(diǎn)。天饋系統(tǒng)是射頻網(wǎng)絡(luò)的重要組成局部，其性能優(yōu)劣對整體無線信號覆蓋質(zhì)量的影響至關(guān)重要。根據(jù)移動網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,造成無線覆蓋質(zhì)量指標(biāo)下降的主要原因