安装姿态对天线方向图水平面半功率 波束宽度测试的影响
黎华鹏
【摘 要】为了研究安装姿态对天线方向图水平面半功率波束宽度测试的影响，通过仿真分析及实测验证的方法，研究了天线姿态及抱杆姿态存在俯仰偏移时对天线方向图水平面半功率波束宽度测试的影响，仿真分析了双通道900天线、双通道1800天线、FAD宽频智能天线存在安装姿态差异时，对水平面半功率波束宽度的影响，并通过实验证实了安装姿态差异对方向图水平面半功率波束宽度的影响，为在测试中科学合理地架设天线提供了参考。
基站天线；俯仰偏移；水平面半功率波束宽度；测量误差
1 引言
移动通信技术的发展，对基站天线的辐射性能提出了更高的要求。如何准确测试天线辐射性能成为天线测量领域关注的核心问题。天线辐射性能测试受测试系统、测试环境、安装方式等多种因素的影响。现有文献对测试系统、测试环境的影响因素已作了较为详细的分析，安装方式方面的分析相对较少。安装主要受安装工装、抱杆及人为因素的影响，本文的研究侧重于前两种因素，围绕天线姿态或抱杆姿态存在俯仰角度偏移时对方向图测试，尤其是对水平面半功率波束宽度指标测试的影响展开讨论，为科学合理地架设天线提供数据依据。
2 天线俯仰安装姿态对水平面半功率波
束宽度测试的影响
2.1 天线安装姿态俯仰
天线安装架设示意图如图1所示，正常安装如图1（a）所示，抱杆与垂直轴线之间不存在夹角，天线与抱杆之间无相对偏移角。天线安装姿态俯仰包括两种情形，一种为天线俯仰，即抱杆垂直，天线安装姿态与垂直轴线之间存在俯仰夹角，如图1（b）；另一种为抱杆俯仰，即天线垂直安装，抱杆升起后抱杆与垂直轴线之间存在夹角，如图1（c），天线安装姿态俯仰会造成方向图测试误差。
2.2 安装姿态俯仰仿真分析
通过天线三维辐射方向图可进行安装姿态的俯仰仿真分析。天线三维辐射方向图示例及坐标系如图2所示。天线俯仰时，可以通过将天线三维远场方向图进行角度旋转，并按等φ、等θ切割得到的一维方向图来仿真指标的差异。抱杆俯仰时，可以将对应的切割面进行角度旋转，得到一维远场方向图来仿真指标的差异。
（1）天线俯仰仿真分析
天线俯仰时，通过旋转三维远场方向图，切割得到天线存在俯仰偏移角度时对水平面半功率波束宽度的影响。仿真条件如表1所示。
表2、表3和表4分别给出了双通道900天线、双通道1800天线、FAD宽频智能天线正常安装和安装姿态存在俯仰偏移1°时仿真切割得到的水平面半功率波束宽度。
表2和表3的仿真結果表明：针对双通道900天线、双通道1800天线，天线安装姿态存在1°的俯仰偏移角度时，相对于正常安装，对水平面半功率波束宽度影响相对较小，影响约在0.5°以内。
表4的仿真结果表明：针对FAD宽频智能天线单元波束，天线安装姿态存在1°的俯仰偏离角度时，相对于正常安装，对水平面半功率波束宽度影响相对较大，影响在2°左右。
图3、图4仿真了双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度随天线俯仰偏移角度的变化，选取960 MHz和1 900 MHz两个频点，结果表明：
1）从总体趋势上来看，波宽测试误差随天线俯仰角度变化无明显规律；
2）与双通道900天线、双通道1800天线相比，FAD宽频智能天线单元波束更容易受俯仰偏移的影响。
（2）抱杆俯仰仿真分析
抱杆俯仰时，通过改变三维远场数据切割角度，切割得到抱杆姿态相对垂直轴线位置存在俯仰偏移角度时，对水平面半功率波束宽度的影响。仿真条件如表1所示。
仿真结果：表5、表6和表7分别给出了双通道900天线、双通道1800天线、FAD宽频智能天线单元波束抱杆正常和抱杆姿态存在俯仰偏移1°时这两种情况下仿真切割得到的水平面半功率波束宽度。
表5、表6、表7的仿真结果表明：抱杆姿态存在1°的俯仰偏离角度时，对双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试均存在一定影响，影响在2°左右。
图5、图6仿真了双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度随抱杆俯仰偏移角度的变化，双通道900/1800天线选取935 MHz和2 110 MHz两个频点，FAD宽频智能天线选取2 010 MHz频点。结果表明：相对于正常安装，从总体趋势上来看，双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度都容易受到抱杆俯仰的影响，影响在2°左右。
2.3 实测验证
采用实测验证方法，对双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线进行正常安装、天线俯仰偏移1°、抱杆俯仰1°验证。
验证条件如表8所示。
验证结果如表9、表10及表11所示。结果表明：天线俯仰1°时，对双通道900天线、双通道1800天线影响较小，对FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试的影响相对较大，抱杆俯仰1°时，对双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试的影响相对较大。实测的水平面半功率波束宽度总体变化趋势与仿真结果相似。
3 结论
本文采用仿真分析与实测验证相结合的方式，分析了天线安装姿态存在俯仰偏移角时，对天线方向图水平面半功率波束宽度指标测试的影响。分析结果表明：天线安装姿态存在俯仰偏移时，对FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试的影响相对较大，抱杆存在俯仰偏移时，对双通道900天线、双通道1800天线和FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试均存在影响。该分析为测试过程中正确安装架设天线提供了参考。
参考文献：
[1] 毛乃宏，俱新德. 天线测量手册[M]. 北京： 国防工业出版社， 1987.
[2] 李福顺. 天线测量[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 1995.
[3] 王思昊. 天线远场测量系统的分析与研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2014.
[4] 杨栋林. 天线远场测量系统的设计及误差分析[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2015.
[5] 张建新. 天线测试转台的结构设计及对准误差分析[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2015.
[6] 张申科，邓遥林. 天线架设方式对天线测试的影响浅析[J]. 移动通信， 2015，39（14）： 45-48.
[7] 王向阳，郑星，何洪涛，等. 微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响[J]. 电讯技术， 2010（5）： 104-107.
[8] Antenna Standards Committee （Sponsor）. IEEE Standard Test Procedures for Antennas[S].
【摘 要】为了研究安装姿态对天线方向图水平面半功率波束宽度测试的影响，通过仿真分析及实测验证的方法，研究了天线姿态及抱杆姿态存在俯仰偏移时对天线方向图水平面半功率波束宽度测试的影响，仿真分析了双通道900天线、双通道1800天线、FAD宽频智能天线存在安装姿态差异时，对水平面半功率波束宽度的影响，并通过实验证实了安装姿态差异对方向图水平面半功率波束宽度的影响，为在测试中科学合理地架设天线提供了参考。
基站天线；俯仰偏移；水平面半功率波束宽度；测量误差
1 引言
移动通信技术的发展，对基站天线的辐射性能提出了更高的要求。如何准确测试天线辐射性能成为天线测量领域关注的核心问题。天线辐射性能测试受测试系统、测试环境、安装方式等多种因素的影响。现有文献对测试系统、测试环境的影响因素已作了较为详细的分析，安装方式方面的分析相对较少。安装主要受安装工装、抱杆及人为因素的影响，本文的研究侧重于前两种因素，围绕天线姿态或抱杆姿态存在俯仰角度偏移时对方向图测试，尤其是对水平面半功率波束宽度指标测试的影响展开讨论，为科学合理地架设天线提供数据依据。
2 天线俯仰安装姿态对水平面半功率波
束宽度测试的影响
2.1 天线安装姿态俯仰
天线安装架设示意图如图1所示，正常安装如图1（a）所示，抱杆与垂直轴线之间不存在夹角，天线与抱杆之间无相对偏移角。天线安装姿态俯仰包括两种情形，一种为天线俯仰，即抱杆垂直，天线安装姿态与垂直轴线之间存在俯仰夹角，如图1（b）；另一种为抱杆俯仰，即天线垂直安装，抱杆升起后抱杆与垂直轴线之间存在夹角，如图1（c），天线安装姿态俯仰会造成方向图测试误差。
2.2 安装姿态俯仰仿真分析
通过天线三维辐射方向图可进行安装姿态的俯仰仿真分析。天线三维辐射方向图示例及坐标系如图2所示。天线俯仰时，可以通过将天线三维远场方向图进行角度旋转，并按等φ、等θ切割得到的一维方向图来仿真指标的差异。抱杆俯仰时，可以将对应的切割面进行角度旋转，得到一维远场方向图来仿真指标的差异。
（1）天线俯仰仿真分析
天线俯仰时，通过旋转三维远场方向图，切割得到天线存在俯仰偏移角度时对水平面半功率波束宽度的影响。仿真条件如表1所示。
表2、表3和表4分别给出了双通道900天线、双通道1800天线、FAD宽频智能天线正常安装和安装姿态存在俯仰偏移1°时仿真切割得到的水平面半功率波束宽度。
表2和表3的仿真結果表明：针对双通道900天线、双通道1800天线，天线安装姿态存在1°的俯仰偏移角度时，相对于正常安装，对水平面半功率波束宽度影响相对较小，影响约在0.5°以内。
表4的仿真结果表明：针对FAD宽频智能天线单元波束，天线安装姿态存在1°的俯仰偏离角度时，相对于正常安装，对水平面半功率波束宽度影响相对较大，影响在2°左右。
图3、图4仿真了双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度随天线俯仰偏移角度的变化，选取960 MHz和1 900 MHz两个频点，结果表明：
1）从总体趋势上来看，波宽测试误差随天线俯仰角度变化无明显规律；
2）与双通道900天线、双通道1800天线相比，FAD宽频智能天线单元波束更容易受俯仰偏移的影响。
（2）抱杆俯仰仿真分析
抱杆俯仰时，通过改变三维远场数据切割角度，切割得到抱杆姿态相对垂直轴线位置存在俯仰偏移角度时，对水平面半功率波束宽度的影响。仿真条件如表1所示。
仿真结果：表5、表6和表7分别给出了双通道900天线、双通道1800天线、FAD宽频智能天线单元波束抱杆正常和抱杆姿态存在俯仰偏移1°时这两种情况下仿真切割得到的水平面半功率波束宽度。
表5、表6、表7的仿真结果表明：抱杆姿态存在1°的俯仰偏离角度时，对双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试均存在一定影响，影响在2°左右。
图5、图6仿真了双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度随抱杆俯仰偏移角度的变化，双通道900/1800天线选取935 MHz和2 110 MHz两个频点，FAD宽频智能天线选取2 010 MHz频点。结果表明：相对于正常安装，从总体趋势上来看，双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度都容易受到抱杆俯仰的影响，影响在2°左右。
2.3 实测验证
采用实测验证方法，对双通道900天线、双通道1800天线及FAD宽频智能天线进行正常安装、天线俯仰偏移1°、抱杆俯仰1°验证。
验证条件如表8所示。
验证结果如表9、表10及表11所示。结果表明：天线俯仰1°时，对双通道900天线、双通道1800天线影响较小，对FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试的影响相对较大，抱杆俯仰1°时，对双通道1800天线及FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试的影响相对较大。实测的水平面半功率波束宽度总体变化趋势与仿真结果相似。
3 结论
本文采用仿真分析与实测验证相结合的方式，分析了天线安装姿态存在俯仰偏移角时，对天线方向图水平面半功率波束宽度指标测试的影响。分析结果表明：天线安装姿态存在俯仰偏移时，对FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试的影响相对较大，抱杆存在俯仰偏移时，对双通道900天线、双通道1800天线和FAD宽频智能天线单元波束水平面半功率波束宽度测试均存在影响。该分析为测试过程中正确安装架设天线提供了参考。
参考文献：
[1] 毛乃宏，俱新德. 天线测量手册[M]. 北京： 国防工业出版社， 1987.
[2] 李福顺. 天线测量[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 1995.
[3] 王思昊. 天线远场测量系统的分析与研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2014.
[4] 杨栋林. 天线远场测量系统的设计及误差分析[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2015.
[5] 张建新. 天线测试转台的结构设计及对准误差分析[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2015.
[6] 张申科，邓遥林. 天线架设方式对天线测试的影响浅析[J]. 移动通信， 2015，39（14）： 45-48.
[7] 王向阳，郑星，何洪涛，等. 微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响[J]. 电讯技术， 2010（5）： 104-107.
[8] Antenna Standards Committee （Sponsor）. IEEE Standard Test Procedures for Antennas[S].
