分布式天线系统(DAS)天线测试方法探讨

【摘要】通过对200多副DAS天线增益和水平面半功率波束宽度两项技术指标的测量，发现远场与近场测试数据超出测试误差范围。采用DAS壁挂天线在远场和近场进行对比测试，得出天线主极化、交叉极化的水平面方向图和增益，并将之叠加得出合成方向图和合成增益，得到天线的水平面半功率波束宽度和增益，且远场合成后的数据与近场基本一致。由此提出DAS天线远场功率合成测量方法，可为运营商进行DAS覆盖设计提供准确依据，确保移动通信网络有效运行。

【关键词】DAS 功率合成测量 增益 水平面半功率波束宽度 方向图

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-14-

1 DAS简介

DAS（Distributed Antenna System，分布式天线系统）是一个由分布于某个建筑物内、专门用于提供无线室内覆盖的多个天线组成的网络。DAS可以解决高端用户密集城区覆盖问题，减少室外基站的数量和配置，降低室外网络的整体干扰水平，从而提高整个系统的容量，更好地满足用户对质量的要求。典型的DAS通常采用光信号分配技术，由一个本地接口单元的射频信号转换为光信号。这些光信号然后通过光缆分配给多个远端单元，远端单元再将它们转换回射频信号，通过天线分配网络实现室内无缝覆盖。

2 DAS的优势

DAS为电信运营商提供了非常有效的室内信号覆盖解决方案。DAS能够增加无线接口和传输链路上的中继数量，实现每一条无线链路在建筑物中的任何一处都随时可用。增加了中继数量就能提高频谱效率，让运营商从容地应对本地话务高峰（例如，用户在餐厅吃午饭时或避雨时）。基站只需要一条传输线路就能覆盖整个建筑，这不仅极大提高了传输中继效率，而且减少了每个基站的传输开销。此外，DAS解决方案也便于电信运营商控制建筑物内的覆盖范围，以减少与宏蜂窝网络的相互干扰，从而增加网络的总容量。

降低传输成本也是DAS解决方案的一大特点，电信运营商可以采用统计复用降低传输成本。很多用户共用同一条传输路径，并汇聚于同一个站点。由于宏站点与专用的室内覆盖站点共享宏基站，因此与其它同类解决方案相比，DAS解决方案的总体成本明显低于其它解决方案，可为电信运营商在无线接入网方面节约投资。

DAS在中国移动、电信和联通得到了广泛的应用，其天线系统质量问题成了运营商重点关注的问题。中国移动已连续三年将DAS天线设为重点质量监控产品，如何准确评估分布式天线质量成为行业关注的重点。

3 DAS天线测试现状

在DAS天线辐射性能测试中，行业基本采用两种测量系统，分别为近场测量系统和远场测量系统。

3.1 近场测量系统

近场测量系统是指在离开被测目标3λ～5λ（λ为工作波长）距离上测量该区域电磁场的测试系统。由于被测天线是辐射器，因此称为辐射近场测量。测试原理是对测得辐射体的辐射近场信息进行反演或逆推得到被测目标的像函数，实现被测目标近场成像。

辐射近场测量是用一个已知探头天线在离开天线3λ～5λ的距离上扫描测量一个平面或曲面上电磁场的幅度和相位数据，再经过严格的数学变换计算出天线远区场的电特性。当取样扫描面为球面时，则称为球面近场测量。

球面近场测量系统效率高，能够输出3D方向图，非常适用于大型工厂的出厂检验。球面近场测试环境要求极高，需要配备全套的温湿度控制系统。球面近场测量参数通过数据处理软件输出结果，实现近场模拟远场测量的结果，所以数据处理软件的校准是近场测试系统准确性的关键。现在典型的球面近场测量系统为法国的SG128多探头球面近场天线测试系统，本文中近场测试数据均来自于该测试系统。

3.2 远场测量系统

远场测量系统按使用环境可分为室外远场测量系统和室内远场测量系统。室外远场需要较长的测量距离，通常用天线高架法来尽量减小地面反射，其它架设方法还有地面反射法和斜距法。室外远场测量需在合适的外部场景和天气下进行，并且对安全和电磁环境有较高要求。室内远场在微波暗室中进行，暗室内部全部覆盖吸波材料来减小电磁反射。如果暗室条件满足远场测量条件，可选择传统远场测量法，如果测量距离不够远场条件，可以选择紧缩场，通过反射天线在被测天线处形成平面电磁波。

室内大型远场测量系统既解决了室外远场无法全天候测试的问题，又能直接采用传统远场测量法，测试过程直观，测试参数无需进行数据处理，测试准确度高。室内远场测量系统对收发距离要求高，根据天线的尺寸和频率计算出所需收发距离，移动通信天线要求收发距离在25米到50米之间。室内远场微波暗室电磁屏蔽效果直接影响测试准确度，所以每年需要进行严格电磁屏蔽计量。

本文中的远场测试数据来自于35米室内远场大型微波暗室，由于微波暗室收发距离达到30米，所以采用传统远场测量法。该微波暗室尺寸为长35米、高17.5米、宽16米，是目前国内测试环境较为突出的微波暗室。

4 DAS天线测试中的问题

DAS天线的重要技术指标是增益和水平面半功率波束宽度，通过对200余副分布式天线的增益及水平面半功率波束宽度进行测量，发现远场测试结果与近场测试结果相差非常大，已明显超出测试误差范围。具体情况如下：

远场测量系统测试时，采用通信行业标准YD/T1059的测试方法对典型的DAS室内壁挂天线进行测量，该壁挂天线低频增益设计指标为（6±1）dBi，测试时结果为4dB；另选取高频半功率波束宽度更小的天线，测试的增益反而降低，不符合天线理论计算结果，测试问题非常突出。近场测量系统的测试结果与理论设计技术指标比较接近。通过远场测量系统测试和近场测量系统测试比较研究发现，近场测试采用正交的双极化探头，测试天线为全功率方向图；而远场测试使用标准喇叭天线，测试天线为单一极化的功率方向图。

为进一步比较两种场地的测试差异，选取1副高低频共振子的DAS壁挂天线，分别在远场测量系统与近场测量系统进行对比测试。进行远场测量系统测试时，分别测试天线主极化水平面方向图、交叉极化水平面方向图、增益，将两个方向图、增益叠加得到合成方向图、合成增益，读取水平面半功率波束宽度和增益数据；进行近场测量系统测试时，测试天线水平面方向图、增益，读取水平面半功率波束宽度和增益。测试数据如表1、表2所示，方向图如图1所示：

通过对表1、表2和图1进行分析比较，发现以下三个突出情况：

（1）远场测试系统的测试数据表明，低频时该DAS壁挂天线的轴向交叉极化比较差，在820MHz时，天线轴向交叉极化比小于3dB，说明交叉极化辐射强度占有相当大的功率；

（2）在2 300MHz以上，轴向±30°的方向上，交叉极化的辐射强度超过主极化的辐射强度，仅测试主极化方向图已经无法反映天线辐射的真实状况；

（3）远场测试的合成方向图与近场测试是比较一致的。

基于以上情况得出结论：远场测量系统测试时，采用通信行业标准YD/T1059的测试方法对典型的DAS天线进行测量，测试结果误差较大。原因是DAS天线多数为低增益天线，交叉极化分量较大，而且天线未使用极化分级技术，因而交叉极化分量信号与主极化信号具有同等作用，对DAS天线测量评价时应测量天线主极化水平面方向图和增益，以及交叉极化水平面方向图和增益，叠加得到合成方向图和合成增益，这样才能准确得到DAS天线的水平面半功率波束宽度和增益。由此提出分布式天线系统（DAS）天线远场功率合成测量方法。

笔者对DAS天线远场功率合成测量方法是否适用于室外基站天线进行了研究。研究发现室外基站天线采用通信行业标准YD/T1059的测试方法在远场测量系统进行测试，测试使用标准喇叭天线，测试主极化方向图、增益与近场测量系统测试结果基本一致，无需进行交叉极化方向图、增益测试及合成方向图、增益操作，因此DAS天线合成测试方法不适用室外基站天线。原因分析如下：DAS天线与室外基站板状天线存在较大差异，室外基站板状天线辐射单元一般在4个振子以上，且频带窄，轴向交叉极化比超过15dB，±60°范围内的交叉极化比往往也在10dB以上，交叉极化分量小，对天线增益及主瓣方向图影响小。DAS天线一般只有1个辐射振子，频带宽，部分天线在低频时轴向交叉极化比只有3dB，在高频时，部分角度交叉极化信号比主极化信号强。所以主极化的测试方法适用于室外基站板状天线，远场功率合成测量方法适用于DAS天线测试。

综上所述，对于DAS天线，应采用远场功率合成测量方法，精确测量天线增益和水平面半功率波束宽度，为运营商进行DAS覆盖设计时提供准确依据，确保移动通信网络有效运行。

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