本發(fā)明涉及基站天線維護技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基站天線電性能參數(shù)監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

基站天線是無線通信的必備設(shè)備，天線的作用是將饋管中攜帶的聲音等信息的高頻電流轉(zhuǎn)換成為自由空間的電磁波，反之收集自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為饋管中的高頻電磁電信息。天線是無源設(shè)備，載波通過饋線送到天線的信號有多大，天線發(fā)出去的信號強度就有多大。它的電性能參數(shù)可以反映出基站工作狀態(tài)是否正常，這有助于維護人員進行檢修和調(diào)整；當(dāng)軟件無線電平臺接收基站天線發(fā)射出的信號后，要對這個信號中的相關(guān)信息進行提取與處理，最終才能得到需要的參數(shù)值。

而傳統(tǒng)基站監(jiān)測系統(tǒng)僅能完成物理參數(shù)的監(jiān)測，傳統(tǒng)的物理參數(shù)監(jiān)測僅能完成天線機械傾角和掛高等物理參數(shù)，這些參數(shù)只能在很小的層面上反映基站天線的工作狀態(tài)，對于天線的電性能狀態(tài)得不到較好的監(jiān)測，所以其實用價值相對來說較小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有更好的擴展性和便利性，有利于幫助基站維護人員對天線設(shè)備進行維護，對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，提高移動終端用戶與基站交互數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性的基站天線電性能參數(shù)監(jiān)測方法。技術(shù)方案如下：

一種基站天線電性能參數(shù)監(jiān)測方法，包括以下步驟：

步驟1：采用hackrfone硬件平臺接收基站天線發(fā)射出的電磁波，并對其進行中頻處理和數(shù)字化處理；

步驟2：將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至android系統(tǒng)終端，再進行數(shù)字濾波處理和fft處理得到頻譜分析；

步驟3：完成電性能參數(shù)的提取：所述電性能參數(shù)包括半功率波束寬度、旁瓣電平、前后輻射比、方向性系數(shù)、天線增益，提取方法如下：

半功率波束寬度：先根據(jù)半臂長確定天線類型，進而確定天線的方向圖函數(shù)，再根據(jù)方向圖函數(shù)計算出3db處的角度θ'，則半功率波束寬度為：

2θ0.5＝2(90°-θ')

旁瓣電平：由頻譜分析得到最大幅值，進而得到最大主瓣幅值和最大旁瓣幅值，再分別求兩幅值的模；則旁瓣電平即為旁瓣的最大模值與主瓣最大模值的比值，再求分貝值：

其中，|es|為旁瓣最大模值，|em|為主瓣最大模值；

前后輻射比：由頻譜分析得到最大幅值和最小幅值，分別求兩個幅值的模，再分別對兩幅值求功率值，再求前后輻射方向上的功率值之比，并轉(zhuǎn)換成分貝單位，即：

其中：pf為前向功率，pb為后向功率；

方向性系數(shù)：先根據(jù)半臂長確定天線類型，進而確定天線的方向圖函數(shù)，再計算輻射電阻rr，則方向性系數(shù)d為：

其中，，k為方向性系數(shù)常量，l為天線長度；轉(zhuǎn)換為分貝單位：

ddb＝10lgd(db)

天線增益：天線增益為在輸入功率相同的情況下，方向圖中的最大輻射方向上輻射場區(qū)內(nèi)某點的功率密度值與理想的無方向性天線在相同點的功率密度值之比，即：

在為無方向性天線的情況，有

其中，pin為輸入功率，r為輻射點到天線的距離，e^r為天線的輻射效率；

轉(zhuǎn)換為分貝單位：

gdb＝10lgg(db)

或通過下式估算：

其中，θe和θh分別為天線水平面和垂直面的半功率波束寬度，單位為度。

進一步的，所述步驟2中，濾波處理采用的是blackman-harriswindow實現(xiàn)的fir濾波器。

更進一步的，所述步驟2中，所述fft處理采用蝶形算法實現(xiàn)。

更進一步的，所有的數(shù)字信號處理及電性能參數(shù)提取均在android端進行，且最終頻譜及電性能參數(shù)值均在android終端上顯示。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的監(jiān)測方法有利于幫助基站維護人員對天線設(shè)備進行維護，對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，提高移動終端用戶與基站交互數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性的基站天線電性能參數(shù)監(jiān)測方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基站天線方向圖的球型坐標。

圖2為本發(fā)明半功率波瓣寬度參數(shù)提取軟件實現(xiàn)流程圖。

圖3本發(fā)明半功率波瓣寬度參數(shù)提取軟件實現(xiàn)流程圖。

圖4為本發(fā)明前后輻射比參數(shù)提取軟件實現(xiàn)流程圖。

圖5為本發(fā)明方向性系數(shù)參數(shù)提取軟件實現(xiàn)流程圖，其中cix為計算輻射電阻的一個中間值。圖6為android平臺運行軟件的頻譜效果圖。

圖7為android系統(tǒng)平臺上參數(shù)提取結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。本實施例采用hackrfone硬件平臺接收基站天線發(fā)射出的電磁波，并對其進行中頻處理和數(shù)字化處理；將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至android系統(tǒng)終端，再進行信號處理與參數(shù)提取。

所述hackrfone硬件平臺上接入的接收天線為標準的gsm制式有源天線；設(shè)置有mdt測量模塊，所述mdt測量模塊通過uart接口與lpc43xx的uart控制器對接，所述mdt測量模塊中的uartttl接口與lpc43xx的uart1交叉連接，在lpc43xx的uart1接收到下mdt測量模塊定時傳送過來的mdt數(shù)據(jù)。

所有的數(shù)字信號處理及電性能參數(shù)提取均在android端進行，且最終頻譜及電性能參數(shù)值均在android終端上顯示。

android系統(tǒng)端進行應(yīng)用程序開發(fā)使用到libusb.so和libhackrf.so動態(tài)模塊。除此之外，由于在應(yīng)用程序中涉及到大量的數(shù)據(jù)處理等相關(guān)算法，為提升代碼的執(zhí)行效率，可在工程中建立很多的數(shù)據(jù)處理相關(guān)的函數(shù)，并且均采用c/c++來實現(xiàn)，在android應(yīng)用中再通過jni接口調(diào)用。

在完成libusb.so和libhackrf.so編譯之后，android系統(tǒng)中的應(yīng)用程序就可以通過libhackrf.so控制hackrfone硬件平臺了。在物理連接上，可以直接通過otg線連接android系統(tǒng)平臺和hackrfone設(shè)備。然后測試在android應(yīng)用程序中對hackrfone接收到的信號做簡單的頻譜顯示。首先，在android應(yīng)用程序中需要初始化hackrfone，然后控制hackrfone接收iq數(shù)據(jù)，處理iq數(shù)據(jù)，然后在android端顯示譜線圖，為了保證代碼的執(zhí)行效率，初始化和接收處理iq數(shù)據(jù)這些操作均采用c代碼實現(xiàn)，最終的顯示送到j(luò)ava層展示。

信號處理與參數(shù)提取是軟件實現(xiàn)的核心部分，主要針對的是射頻數(shù)據(jù)的處理，時域iq信號從lpc43xx傳輸?shù)絘ndroid系統(tǒng)平臺之后，會進行濾波處理、fft等處理，得到頻譜分析。濾波處理采用的是blackman-harriswindow實現(xiàn)的fir濾波器，而fft采用了蝶形算法實現(xiàn)。

參數(shù)提取軟件的實現(xiàn)主要完成了半功率波束寬度、旁瓣電平、前后比、方向性系數(shù)、天線增益這幾個電性能參數(shù)的監(jiān)測。

基站天線的方向圖是表征天線輻射特性與天線的空間角度關(guān)系，如圖1所示，為一個簡化的方向圖的空間立體效果。

在本實施例中所使用的即為定向雙極化基站天線(半波對稱振子)，一般基站上會采用三條定向板狀基站天線(定向天線)作為整個基站的天線。對稱振子是最基本也是最常用的天線形式，其常見的長度是l＝λ/4，即全長l＝2l＝λ/2，稱為半波振子。在輻射近場中的振幅如式(1)：

在式(1)中，考慮損耗β'＝β-jα，無耗時，則可得式(2)：

半波對稱振子天線(l＝λ/2)輻射場振幅可有式(3)：

根據(jù)與方向有關(guān)的因子作為對稱振子的方向函數(shù)，稱為歸一化的方向函數(shù)(r為常量)，如式(4)：

由式(4)可得歸一化方向(圖)函數(shù)，如式(5)：

在式(5)中，fm指的是的最大值，對于半波振子(l＝λ/2)，由此可得式(6)：

而對于全波振子(l＝2l＝λ)，其歸一化的方向圖函數(shù)如式(7)：

下面，基于前面的歸一化方向(圖)函數(shù)，對基站天線方向圖中的相關(guān)參數(shù)的提取算法進行分析。

半功率波束寬度：

半功率波束寬度，先根據(jù)半臂長確定天線類型，進而確定天線的方向圖函數(shù)，然后計算出3db處的角度θ'，再根據(jù)主瓣一般都是沿最大輻射方向?qū)ΨQ的，即可求出半功率波束角度值2θ0.5。如圖2所示提取半功率波瓣寬度的軟件實現(xiàn)流程圖。

半臂長：本實施例的被監(jiān)測天線為對稱結(jié)構(gòu)，即天線有兩個臂，其每半個臂長度就是所謂的半臂長，在計算實際的電性能參數(shù)時需要得它，它實際就是天線長度的一物理參數(shù)。

半功率波束寬度指的是基站天線的方向圖上，主瓣上兩個半功率點間的夾角值的大小，記為2θ0.5，又稱為主瓣波束寬度或3db波束寬度，而半功率點指的是場強值下降到最大值的0.707倍時對應(yīng)點。一般情況下，天線的e面(與電場平行的方向圖切面x)和h(與磁場方向平行的方向圖切面z)面方向圖的主瓣寬度不等，可分別記為2θ0.5e和2θ0.5h。在實際應(yīng)用中，無論基站天線的方向圖的主瓣是否關(guān)于最大輻射方向?qū)ΨQ，均可取θ0.5的2倍得到主瓣寬度。兩個零輻射向徑之間的夾角稱為主瓣張角，用2θ0來表示；一般對于半功率波束寬度的計算在幅度方向圖中進行，場強(幅值)為主瓣最大值的0.707倍的兩點所張的夾角^[31]。本文中的目標基站天線是定向單極半波天線，其方向圖函數(shù)為式(6)，式中θ指從天線軸起算的角度，由于定向，則其θ的最大值為90°，那么對應(yīng)的場強最一化后的最大值為1，即fmax(θ＝90°)＝1。然后計算3db處角度θ'，即根據(jù)式(8)：

然后，可根據(jù)2θ0.5計算出主瓣寬度，有式(9)：

2θ0.5＝2(90°-θ')＝78°(9)

水平半功率角定義了天線水平平面的波瓣寬度，該值越大表明基站天線在扇區(qū)交界處上的信號覆蓋效果也就越好。垂直平面的半功率角定義了天線的垂直平面的波瓣寬度，其半功率角越小，就表明主波束方向之外的信號衰減很快，偏離越遠就衰減越快。

旁瓣電平：

由頻譜分析得到最大幅值，進而得到最大主瓣幅值和最大旁瓣幅值，再分別求兩幅值的模；則旁瓣電平即為旁瓣的最大模值與主瓣最大模值的比值，再求分貝值。如圖3所示旁瓣電平參數(shù)提取的軟件實現(xiàn)流程圖。

天線的方向圖有許多波瓣，除了有最大輻射強度的主瓣之外，其余的均為副瓣。旁瓣代表了分散輻射，所以一般情況下都是有害的，其分散的能量不能集中到主瓣方向上，勢必會造成干擾。旁瓣電平一般以分貝表示，如式(10)^[32]為其計算公式，旁瓣電平等于旁瓣的最大模值與主瓣最大模值的比值，再求分貝值即可：

在工程中，副瓣電平記為sll，一般指的是與主瓣相鄰的旁瓣。在旁瓣的方向上，一般是不會進行信號的輻射和信號的接收，若基站天線的旁瓣電平愈低，則基站天線對干擾信號的抑制力愈強。一般情況下可認為離主瓣愈遠的旁瓣的電平愈低，所以第一旁瓣電平的高低在某種意義上反映了天線方向性的好壞。

前后輻射比：

由頻譜分析得到最大幅值，進而得到最大主瓣幅值和最大旁瓣幅值，再分別求兩幅值的模；則旁瓣電平即為旁瓣的最大模值與主瓣最大模值的比值，再求分貝值。如圖4所示前后輻射比參數(shù)提取軟件實現(xiàn)流程圖。

定向天線的前后比是指主瓣的最大輻射方向(規(guī)定為0°，前向)的電平與其相反方向附近(規(guī)定為180°±20°范圍內(nèi)，后向)的電平之比值，通常也以分貝為單位，其表明了天線對后瓣抑制的好壞。如圖3-6所示，為前后比的示意圖。

其計算公式如式(11)：

其中：pf為前向功率，pb為后向功率；

方向性系數(shù)：

先根據(jù)半臂長確定天線類型，進而確定天線的方向圖函數(shù)，再計算輻射電阻rr，根據(jù)輻射電阻rr計算出方向性系數(shù)，再轉(zhuǎn)換為分貝單位。如圖5所示方向性系數(shù)參數(shù)提取的軟件實現(xiàn)流程圖。

方向性系數(shù)的測量可以借助天線的輻射電阻來完成，也可根據(jù)方向圖函數(shù)來完成的，在本實施例中，根據(jù)天線的輻射電阻來實現(xiàn)。

半功率波束寬度、旁瓣電平和前后比三個參數(shù)可以部分反映出基站天線的定向輻射效果，但不能單獨反映天線的集束能力，即旁瓣電平較低并不意味著集束能力強，而旁瓣電平小也不意味著方向性必好；而方向性系數(shù)的出現(xiàn)則可以有效表示在線集束能量的能力。

方向系數(shù)(d，directivity)是基站天線比較重要的一個電性能參數(shù)，可以單獨地、定量地對基站天線的信號集束能力的進行描述。如式(12)所示，為方向系數(shù)的計算公式，其表示為基站天線在最大輻射方向上且在輻射場區(qū)內(nèi)某點上的功率密度值與理想的無方向性基站天線在同一位置點的功率密度值之比：

式(12)成立的條件是pr(輻射功率)的值與r(掃描點到天線距離)的值是一樣的。在上式中，sm和s0分為表示為式(13)：

故有式(14)：

因此，有式(15)：

根據(jù)式(15)可知，方向系數(shù)由場強在全空間的分布情形決定，若方向圖確定了，則d也就確定了，因此d可以由方向圖函數(shù)算出，有式(16)所示：

將上式代入(14)中，得式(17)：

若即方向圖對z軸對稱(與無關(guān))，則可得式(18)：

而一般情況下，會使用分貝來表示方向性系數(shù)，則有式(19)：

ddb＝10lgd(db)(19)

從式(19)可以看出，主瓣愈窄，分母積分越小，因而d越大。在實際情況中，將上式積分利用圖解積分法由被積函數(shù)曲線所包圍的面積進行近似計算，有式(20)：

同時，對稱振子的方向系數(shù)來說更為方便，可以利用其輻射電阻來計算其輻射功率，因而可得出利用輻射電阻計算天線方向系數(shù)，可得d與輻射電阻的關(guān)系式(21)：

在式(21)當(dāng)中，rr就是輻射電阻值；對最大方向為θ＝90°的對稱振子來說，由上式可以式(22)：

在式(22)中，k為方向性系數(shù)常量，l為天線長度，且l<0.7λ，所以對于半波振子來說，即可得到其方向系數(shù)為1.64(半波對稱振子的輻射電阻經(jīng)式(23)計算為73.1ω：

天線增益：

天線增益指的是在輸入功率相同的情況下，方向圖中的最大輻射方向上輻射場區(qū)內(nèi)某點的功率密度值與理想的無方向性天線在相同點的功率密度值之比，其計算公式如式(24)：

式(24)成立條件是輸入功率(pin)和某點到天線距離r均相同。本文所設(shè)定的無方向性天線即為理想的天線設(shè)備，其損耗為0，即輻射功率與輸入功率pin相等，故有式(25)：

對于半波對稱天線來說，其輻射效率與電偶極子是一樣的，其值等于方向系數(shù)與輻射效率之積，對于半波對振天線來說，其輻射效率與電偶極子的輻射效率是一樣的，即e^r＝1。所以，根據(jù)式(25)即可估算出天線的增益值。

在式(25)中，e^r為天線的輻射效率(radiationefficiency)，其表達式為(26)：

在式(26)中，rr為輻射電阻，而rσ為高頻電阻。從上式可知，g是天線方向系數(shù)和輻射效率這兩個參數(shù)的結(jié)合，對于微波天線，其e^r很高，g與d差別不大；通常用db來表示增益，如式(27)：

gdb＝10lgg(db)(27)

在式(27)中，g為功率密度比，因此lg前系數(shù)是10，設(shè)電偶極子e^r＝1，則其增益為10lg1.5＝1.76db。針對半波對稱振子天線來說，e^r取值也為1，則其gdb為10lg1.64＝2.15db，這個值非常重要。在工程應(yīng)用中，會以2.15db作為比較標準值，稱為1dbd，而dbi表示的是有向天線與理想天線的增益比值，根據(jù)以上有式(28)：

dbi＝dbd+2.15db(28)

從前面的研究可知，基站天線的方向圖的主瓣越窄，則天線的增益越高，一般的天線增益可以通過式(29)來進行估算：

在式(29)當(dāng)中，30000是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而θe和θh分別為天線水平面和垂直面的半功率波束寬度，單位是度。比如水平面波束65°，垂直面波束為7°的定向天線，按上式計算得到增益值為18db；由此可見天線的增益越高，天線的波束就越窄。