天线的各种性能及测量方法探讨

1、引言

随着移动通信的不断发展，移动通信天线也经历了从单极化天线、双极化天线到智能天线、MIMO天线乃至大规模阵列天线的发展历程。中国移动经过4G大发展后，目前拥有大约150万个基站，在网天馈质量参差不齐。天线作为移动通信网络的感知器官在网络中的地位越来越复杂，并且越来越重要。虽然天线的投资占比较小（仅占基站投资的3%左右），但是网络故障的40%以上是由天馈系统引起的。天馈系统质量下降会导致覆盖性能变差，或者造成干扰问题，而且天线作为一种复杂的无源产品，其在网络中很难监测，

天馈系统问题的表现多种多样，如：天线在网使用两三年后，网络覆盖性能明显下降，互调干扰越来越严重；下暴雨时驻波比告警；刮大风时驻波比告警；同一厂家同一型号的天线用在同一网络性能却大不相同等等。这些现象，表明供货厂家的产品可靠性不高，质量存在隐患，达不到产品寿命指标要求。如何判断呢？ 这就和天线的一致性、稳定性和可靠性相关。

2、天线的可靠性

通常，产品的可靠性是指元件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。可通过可靠度、失效率、平均无故障间隔等来评价产品的可靠性。环境可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。产品在设计、应用过程中，不断经受自身及外界气候环境及机械环境的影响，而仍需要能够正常工作，这就需要用试验设备对其进行验证。

可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。耐久性是指产品使用无故障性或使用寿命的长短。可维修性是指当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障。

设计可靠性是决定产品质量的关键，由于人—机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性，这就是设计可靠性。因此，可靠性是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使之数量化，这样才能进行精确的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特点，由于使用场合的不同，很难用一个特征量来完全代表。

天线产品的可靠性的检验可以通过一系列试验来判断，可靠性试验是对天线产品进行可靠性调查、分析和评价的重要手段。天线的可靠性试验包括高低温试验、淋雨试验、振动试验、冲击试验、碰撞试验、汽车运输试验、风载试验、摄冰试验和功率试验等。通过环境试验可以检验天线产品结构的可靠性。如图1所示，为淋雨试验、振动试验和大功率试验后，满足可靠性要求的天线与不满足的对比测试结果。

图1、天线结构可靠性对比试验

从图中可以看出，通过环境试验可以检验出可靠性较差的天线，环境试验可以对天线产品的设计、材料和工艺的可靠性进行检验。

3、天线性能的稳定性

产品的稳定性是指产品保持其特性随时间恒定的能力，通常是指产品的特性随时间不变化的能力。稳定性可以进行定量的表征，主要是确定特性随时间变化的关系。稳定性很重要，那么怎么才能知道系统是否稳定呢？

产品的稳定性和可靠性是不可分的，对于天线产品的稳定性如何判别呢，一种相对简单的方法就是通过可靠性试验前后指标曲线的重合度来判断天线性能的可靠性。通过研究发现：

（1）辐射参数对工艺及电路不敏感，而电路参数对电路及工艺敏感，在生产过程，特别是多次调试易对电路参数造成影响；

（2）电路参数中，互调量级太小，对测试方法、测试设备及环境敏感波动大，不适合统计评估；

（3）电路参数对测试场地要求低，可现场测试。辐射参数对测试场地的反射和屏蔽特性要求很高，不可现场测试。

因此，建议选取电路参数中的驻波比和隔离度作为天线性能的稳定性表征参量。

图2、天线驻波比性能稳定性比较

如图2所示，为振动试验前后天线电压驻波比性能稳定性比较，左图的天线在振动试验前后驻波比基本没有变化曲线吻合很好，而右图的天线在振动试验后虽然驻波比仍然合格（VSWR<1.5），但试验前后驻波比曲线偏差较大，可以认为该天线稳定性较差。

图3为淋水试验前后的天线隔离度性能稳定性对比。可以看出左图的天线隔离度稳定性较好，右图较差。

图3、天线隔离度性能稳定性比较

天线稳定性的较差的天线，虽然常常能够通过入网测试，但在使用周期内往往由于自然环境的变化引起质量下降，从而导致网络质量的下降，易出现引言中发生的现象。

4、天线性能的一致性

天线性能的一致性是指同一型号的天线产品的参数表现的吻合性，可以通过比较多个同类型产品的指标曲线的近似度来判断。如图4所示，为同一类型的多个天线电压驻波比曲线的一致性对比，左图的多个天线驻波比曲线趋势一致，偏差较小，表明该类型天线驻波比性能比较一致；右图的多个天线的驻波比曲线没有规律，比较杂乱，表明该类型天线的驻波比性能一致性较差。图5为天线隔离度性能的一致性比较，同样左图天线比右图天线隔离度参数的一致性要好。因此，可以认为，左图天线性能的一致性要好于右图的天线。

图4、天线驻波比性能的一致性比较

图5、天线隔离度性能的一致性比较

5、结论

天线属于宽带、低Q值无源产品，在可靠性试验过程中材料结构损坏后不会还原，高低温试验过程中材料的热胀冷缩引起的频率变化忽略不计，对比试验后的测试指标变化情况足以反映电性能指标的稳定性，不需在可靠性试验过程中测试指标。天线的互调指标，对制造工艺及结构稳定性敏感，可采取动态测试，间接验证产品稳定性。

总之，天线的可靠性、稳定性和一致性对移动通信网络具有重要的影响，在天线产品入网之前测量和把控天线的这些性能具有重要意义。