天馈系统的测试原理及应用
摘 要：本文从天馈系统的正常运行，以及对射频信号覆盖质量的影响出发，阐述了保持射频基站天馈线系统正常运行的重要性，并详细介绍了利用BIRD 网络分析仪对基站天馈系统进行测试和故障诊断的方法。
关键词：驻波比 匹配 频率特性 DTF
一、背景概述
射频网络发射和接收信号都是通过天馈系统来完成的。天馈线系统的安装质量和运行情况的好坏将直接影响到射频信号的质量、覆盖范围和发射机的工作状态。当天馈系统出现故障时，射频信号将会产生损耗，从而影响覆盖范围，若天馈线系统出现的故障较为严重时，极有可能对前级设备造成损坏。
天线、射频电缆和接头是天馈线系统最容易产生故障的三个地方。如在安装时不合安装规范会造成天线的排水不畅，下雨天时易导致天线内积水；对接头的处理不好，在潮湿或下雨的天气易造成接头的进水，若不能及时发现并进行处理，则会进一步损坏馈线。在城市里受到各种条件的限制，许多地方没有足够的空间适合天线的安装，在这样的情况下所安装的天线不能确定其旁瓣和后瓣的去藕度，从而影响隔离度。因此，对天馈线系统进行日常的维护测试，是十分必要的。
二、天馈系统测试理论基础
1. 频域特性的测量原理：
测量设备按照操作者输入的频率范围，从低向高发送射频信号，之后计算每个频点的回波，后将总回波与发射信号比较来计算SWR 值。频域测量包括驻波比（VSWR ）、回波损耗（RL ）和馈线损耗（CL ）测量。驻波比（VSWR ）、回波损耗（RL ）是对天馈线好坏的量的描述，而馈线损耗（CL ）是表示传输线在某频点的插入损耗。
2. 故障距离定位DTF 的测量原理：
仪表发送某一频率信号，当遇到故障点时，产生发射信号到达仪表接口时，仪表依据回程时间乘以传输速率来计算故障点，并同时计算VSWR ，所以DTF 的测试与PROP V-传输速率和LOS-电缆损耗有关。它可以有回波损耗（RL ）和驻波比（VSWR ）两种表示形式。两者都可用来找出故障点，但馈线损耗（CL ）不会出现在距离域。
必需知道的基本概念
1. 匹配
在低频段，电路上传输的电压值的损耗几乎是可以忽略不计的。绝大多数的电路都是高阻入低阻出。但是在射频电路应用当中，特别是在传输线长为四分之一波长的时候，信号是以波的方式传送。在任何情况下所有的波都不全是传送到了负载上面，总有一部分被反射了回去。从理论上说射频电路设计的目的就是将所有的功率都传送到负载上而没有一点得损耗。任何的反射功率的产生都意味着不是所有的功率都加载到了负载上。所以失谐是一个关键的参量。射频电路中因
为有大量不同属性的阻抗和传输线导致了反射功率和损耗的产生。
为了减少反射的损耗，我们引入了匹配的概念。匹配就是馈线终端所接负载阻抗ＺL 等于馈线特性阻抗Ｚ0 的时候。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波。因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。
2. 特性阻抗
在射频电路中，同轴电缆用于电路外部的连接，而内部则基本上使用微带的方式连接。这些元件都有着不同的特性阻抗。至于传输线表现出何种的属性的阻抗则取决于连接导体的几何形状，导体的性质，和绝缘层的支撑等等。
在实际的射频应用当中，传输线的特性阻抗和元器件的输入输出阻抗都是设计为50或75欧姆。50欧姆的阻抗优先的使用在功率传输的系统中，而75欧姆的系统则是为了最小衰减而设计的，诸如电缆系统。大多数的射频无线传输系统都是倾向于50欧姆特性阻抗的系统。当天线阻抗为50欧时，与50欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80欧时，与50欧的电缆是不匹配的。 为将反射功率降到最小，射频电缆和元器件在用于无线测试测量时都设计成50欧姆。另一方面，当阻抗匹配的时候将能获得最佳的功率传输效果。
3. 驻波比和回损
当一个波通过一个特性阻抗后传向不同属性的阻抗时将会发生反射和透射。如果他们的特性相同的话是不会发生反射的。假使一个反射波导致了阻抗的不连续，那将会波及到传输线不同的两个方向上去。如果同相的两个波叠加就会产生电压的最大值Vmax, 而如果相位反转180度的话就会得到Vmin.Vmax 同Vmin 的比值就是标准电压波形比。就是通常所说的驻波比。这是一个将接头或者传输线的特性阻抗调整到50欧姆的办法。回损是用来测量反射信号衰减的。下图给出他们的基本算式
:
4. 发射天线
天线是承载实际调频信号的实体，输入阻抗是从天线的馈电点向天线回路看过去，天线回路所呈现的阻抗。它可以用馈电点的电压电流之比来表示。输入阻抗取决于天线的尺寸、形状和工作频率，天线周围的物体以及环境。常用的输入阻抗一般都为50欧姆或者75欧姆。天线与分馈线匹配的时候，发射损耗就小即
驻波比小。
5. 主流使用的接头，电缆和元件
BNC 接头的线必须工作在500兆赫兹以下。在射频波段，传输线一般都是N 型接头或者SMA 接头。检测仪器广泛使用的是N 型接头因为足够的结实，能够加载高功率并且可以上到18千兆赫兹以上。SMA 比N 要小点而且更多的用于低功率场合（相较于N 型而言），但是它也可以用于18千兆赫兹。
几乎所有的射频电缆都是同轴的。同轴的射频电缆是不能弯曲使用的，或者说只能弯曲在一个很小的范围内。相较于低频电缆在射频电路中我们必须对传输线以更多的关注。过度的弯曲电缆或者将电缆弯曲成锐角直角都将损坏电缆，就算没有损坏也会降低电缆的性能。
在低频电路当中电路就是简单的将所有元器件连接在一起。而在射频电路中则不仅仅器件连接还要将所有的接头全部拧紧。确保完全拧紧而且接头之间的插入损耗最小。
三、天馈系统测试方法
可对天馈线进行测试的仪表有：频谱仪、TDR 和SITE ANALYZER。用频谱仪测量天馈线的驻波比时，是先测量前向功率和反向功率，得出回损值，再通过查回损值与驻波比的对照表得出驻波比值；用TDR 只能大致观察天馈线的波形，来判断哪点出了问题；而用SITE ANALYZER 测试仪可直接测得天馈线驻波比的数值和天线的隔离度，并可快速地进行故障定位。
SITE ANALYZER 是BIRD （鸟牌）公司生产的一种手持式电缆和天线分析仪，采用频域反射计技术。它具有体积小、操作简单等特点，便于技术人员在现场对天馈线进行测试，是多功能测试设备，用于天馈系统的安装和维修。在用户指定的频段或测试范围内，仪器的238个采样点测得的数据绘制在图表上，以此来表征天线天馈系统的特征。其测量结果可以用VSWR （电压驻波比）或者回波损耗来表示。天馈线故障定位可以精确地找出影响整个天馈线系统匹配的问题所在了。使用天馈线分析仪和测量射频功率的BIRD 功率传感器可实现对传输系统的测试，测试结果通过功率值或者匹配效率来表示。SITE ANALYZER 测试仪并可与计算机相连，通过在Windows 环境下运行的软件可对其数据进行管理和分析。
下面简要的介绍下用SITE ANALYZER对天馈线进行测试和维护的方法。
● 选择测量范围
注意：更换频率设置则仪器自动关闭校准菜单，因此在校准前一
定要设置好频率。
● 进行校准
校准件包括：50欧姆负载，标准开路器，标准短路器（实物图-9）。
分别连接OPEN 端口，SHORT 端口，负载端口，进行相应操作。
注意： 要想得到最精确的结果，请在测量前校准天馈测试仪。
● 测量模式
1. 天馈系统的驻波比或者回波损耗模式
本测量可以验证并检测天馈系统在不同频率点上的匹配情况。其测试结果在X-Y 轴上表示，X 轴指示频率，Y 轴指示回波损耗/电缆损耗/驻波比VSWR 。
频率设置
量程及单位设置
电缆损耗测量
设置故障门限
标记点调整
2. 天馈线系统的故障定位和传输线的距离测量模式
故障定位模式可找出天馈线系统中阻抗不连续点（故障点）所处的位置。测量结果显示在X-Y 轴图表上。X 轴显示到天馈线分析仪的距离。Y 轴显示不连续点的相关强度。
设置频率跨度
设置电缆类型
设置测试距离
设置测试量程和单位
设置故障门限
标记点调整
3. 功率测量模式
天馈线测试端口只能用来测试无源系统，当测量功率时，需将外部功率传感器连接到功率端口。为了得到精确的测试结果，测量前应选择合适的前/反向功率探头并根据相应的前向功率来设置仪表功率范围。
注意： 要想得到最精确的结果，邀确保传感器连接到天馈线分析仪并且测试仪至少已开机5分钟。校准时传感器上不能加载功率。
连接功率传感器
设置满量程功率
设置偏移量
存储测量曲线
注意：仪表曲线和设置能够以非易失性的方式进行存储，同时可保
存可描述曲线特征的名称、测量日期/时间等相关信息。
四、结束语
市场激烈竞争要求射频网络运营商，降低每个基站的维护开销。SITE ANALYZER 的频域反射计(FDR)技术， 使得在重大故障发生前，就可以发现细小的、难于确认的问题，打破了传统的故障之后再修理的维护方法。60－80％的基站典型故障都是由于有问题的电缆、连接头和天线引起的。当电缆/天线被潮化或被损坏或放置不当，SITE ANALYZER 能够及时地发现问题。SITE ANALYZER 能够数秒钟之内在地面就能精确定位天线故障而不用爬到塔上去了。密封条安装得不好的话将腐蚀连接器，如果没有被及时发现的话，会逐渐损坏昂贵的同轴电缆。SITE ANALYZER 有足够的灵敏度在电缆被损坏之前就发现连接头问题。DTF （故障距离定位）能够清楚给出故障所在点。
天馈系统是射频网络的重要组成部分，其性能优劣对整体无线信号覆盖质量的影响至关重要。根据移动网运行质量统计结果分析, 造成无线覆盖质量指标下降的主要原因来自天馈系统（约占一半以上）。天馈系统分析仪能够测量回波损耗或驻波比、电缆损耗和长距离故障定位。这使得我们能 够快速评估传输线和天线系统的状况，并且加快新基站所需要的安装调试时间，节约成本并且提高了质量。因此，在日常维护中，必须高度重视对天馈系统性能的检查，最大限度发挥天馈系统的性能。
作者：李旭 周琨 电话：[1**********]
南京中山东路132号江苏广播电视总台广播传媒中心技术部总控
天馈系统的测试原理及应用
摘 要：本文从天馈系统的正常运行，以及对射频信号覆盖质量的影响出发，阐述了保持射频基站天馈线系统正常运行的重要性，并详细介绍了利用BIRD 网络分析仪对基站天馈系统进行测试和故障诊断的方法。
关键词：驻波比 匹配 频率特性 DTF
一、背景概述
射频网络发射和接收信号都是通过天馈系统来完成的。天馈线系统的安装质量和运行情况的好坏将直接影响到射频信号的质量、覆盖范围和发射机的工作状态。当天馈系统出现故障时，射频信号将会产生损耗，从而影响覆盖范围，若天馈线系统出现的故障较为严重时，极有可能对前级设备造成损坏。
天线、射频电缆和接头是天馈线系统最容易产生故障的三个地方。如在安装时不合安装规范会造成天线的排水不畅，下雨天时易导致天线内积水；对接头的处理不好，在潮湿或下雨的天气易造成接头的进水，若不能及时发现并进行处理，则会进一步损坏馈线。在城市里受到各种条件的限制，许多地方没有足够的空间适合天线的安装，在这样的情况下所安装的天线不能确定其旁瓣和后瓣的去藕度，从而影响隔离度。因此，对天馈线系统进行日常的维护测试，是十分必要的。
二、天馈系统测试理论基础
1. 频域特性的测量原理：
测量设备按照操作者输入的频率范围，从低向高发送射频信号，之后计算每个频点的回波，后将总回波与发射信号比较来计算SWR 值。频域测量包括驻波比（VSWR ）、回波损耗（RL ）和馈线损耗（CL ）测量。驻波比（VSWR ）、回波损耗（RL ）是对天馈线好坏的量的描述，而馈线损耗（CL ）是表示传输线在某频点的插入损耗。
2. 故障距离定位DTF 的测量原理：
仪表发送某一频率信号，当遇到故障点时，产生发射信号到达仪表接口时，仪表依据回程时间乘以传输速率来计算故障点，并同时计算VSWR ，所以DTF 的测试与PROP V-传输速率和LOS-电缆损耗有关。它可以有回波损耗（RL ）和驻波比（VSWR ）两种表示形式。两者都可用来找出故障点，但馈线损耗（CL ）不会出现在距离域。
必需知道的基本概念
1. 匹配
在低频段，电路上传输的电压值的损耗几乎是可以忽略不计的。绝大多数的电路都是高阻入低阻出。但是在射频电路应用当中，特别是在传输线长为四分之一波长的时候，信号是以波的方式传送。在任何情况下所有的波都不全是传送到了负载上面，总有一部分被反射了回去。从理论上说射频电路设计的目的就是将所有的功率都传送到负载上而没有一点得损耗。任何的反射功率的产生都意味着不是所有的功率都加载到了负载上。所以失谐是一个关键的参量。射频电路中因
为有大量不同属性的阻抗和传输线导致了反射功率和损耗的产生。
为了减少反射的损耗，我们引入了匹配的概念。匹配就是馈线终端所接负载阻抗ＺL 等于馈线特性阻抗Ｚ0 的时候。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波。因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。
2. 特性阻抗
在射频电路中，同轴电缆用于电路外部的连接，而内部则基本上使用微带的方式连接。这些元件都有着不同的特性阻抗。至于传输线表现出何种的属性的阻抗则取决于连接导体的几何形状，导体的性质，和绝缘层的支撑等等。
在实际的射频应用当中，传输线的特性阻抗和元器件的输入输出阻抗都是设计为50或75欧姆。50欧姆的阻抗优先的使用在功率传输的系统中，而75欧姆的系统则是为了最小衰减而设计的，诸如电缆系统。大多数的射频无线传输系统都是倾向于50欧姆特性阻抗的系统。当天线阻抗为50欧时，与50欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80欧时，与50欧的电缆是不匹配的。 为将反射功率降到最小，射频电缆和元器件在用于无线测试测量时都设计成50欧姆。另一方面，当阻抗匹配的时候将能获得最佳的功率传输效果。
3. 驻波比和回损
当一个波通过一个特性阻抗后传向不同属性的阻抗时将会发生反射和透射。如果他们的特性相同的话是不会发生反射的。假使一个反射波导致了阻抗的不连续，那将会波及到传输线不同的两个方向上去。如果同相的两个波叠加就会产生电压的最大值Vmax, 而如果相位反转180度的话就会得到Vmin.Vmax 同Vmin 的比值就是标准电压波形比。就是通常所说的驻波比。这是一个将接头或者传输线的特性阻抗调整到50欧姆的办法。回损是用来测量反射信号衰减的。下图给出他们的基本算式
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4. 发射天线
天线是承载实际调频信号的实体，输入阻抗是从天线的馈电点向天线回路看过去，天线回路所呈现的阻抗。它可以用馈电点的电压电流之比来表示。输入阻抗取决于天线的尺寸、形状和工作频率，天线周围的物体以及环境。常用的输入阻抗一般都为50欧姆或者75欧姆。天线与分馈线匹配的时候，发射损耗就小即
驻波比小。
5. 主流使用的接头，电缆和元件
BNC 接头的线必须工作在500兆赫兹以下。在射频波段，传输线一般都是N 型接头或者SMA 接头。检测仪器广泛使用的是N 型接头因为足够的结实，能够加载高功率并且可以上到18千兆赫兹以上。SMA 比N 要小点而且更多的用于低功率场合（相较于N 型而言），但是它也可以用于18千兆赫兹。
几乎所有的射频电缆都是同轴的。同轴的射频电缆是不能弯曲使用的，或者说只能弯曲在一个很小的范围内。相较于低频电缆在射频电路中我们必须对传输线以更多的关注。过度的弯曲电缆或者将电缆弯曲成锐角直角都将损坏电缆，就算没有损坏也会降低电缆的性能。
在低频电路当中电路就是简单的将所有元器件连接在一起。而在射频电路中则不仅仅器件连接还要将所有的接头全部拧紧。确保完全拧紧而且接头之间的插入损耗最小。
三、天馈系统测试方法
可对天馈线进行测试的仪表有：频谱仪、TDR 和SITE ANALYZER。用频谱仪测量天馈线的驻波比时，是先测量前向功率和反向功率，得出回损值，再通过查回损值与驻波比的对照表得出驻波比值；用TDR 只能大致观察天馈线的波形，来判断哪点出了问题；而用SITE ANALYZER 测试仪可直接测得天馈线驻波比的数值和天线的隔离度，并可快速地进行故障定位。
SITE ANALYZER 是BIRD （鸟牌）公司生产的一种手持式电缆和天线分析仪，采用频域反射计技术。它具有体积小、操作简单等特点，便于技术人员在现场对天馈线进行测试，是多功能测试设备，用于天馈系统的安装和维修。在用户指定的频段或测试范围内，仪器的238个采样点测得的数据绘制在图表上，以此来表征天线天馈系统的特征。其测量结果可以用VSWR （电压驻波比）或者回波损耗来表示。天馈线故障定位可以精确地找出影响整个天馈线系统匹配的问题所在了。使用天馈线分析仪和测量射频功率的BIRD 功率传感器可实现对传输系统的测试，测试结果通过功率值或者匹配效率来表示。SITE ANALYZER 测试仪并可与计算机相连，通过在Windows 环境下运行的软件可对其数据进行管理和分析。
下面简要的介绍下用SITE ANALYZER对天馈线进行测试和维护的方法。
● 选择测量范围
注意：更换频率设置则仪器自动关闭校准菜单，因此在校准前一
定要设置好频率。
● 进行校准
校准件包括：50欧姆负载，标准开路器，标准短路器（实物图-9）。
分别连接OPEN 端口，SHORT 端口，负载端口，进行相应操作。
注意： 要想得到最精确的结果，请在测量前校准天馈测试仪。
● 测量模式
1. 天馈系统的驻波比或者回波损耗模式
本测量可以验证并检测天馈系统在不同频率点上的匹配情况。其测试结果在X-Y 轴上表示，X 轴指示频率，Y 轴指示回波损耗/电缆损耗/驻波比VSWR 。
频率设置
量程及单位设置
电缆损耗测量
设置故障门限
标记点调整
2. 天馈线系统的故障定位和传输线的距离测量模式
故障定位模式可找出天馈线系统中阻抗不连续点（故障点）所处的位置。测量结果显示在X-Y 轴图表上。X 轴显示到天馈线分析仪的距离。Y 轴显示不连续点的相关强度。
设置频率跨度
设置电缆类型
设置测试距离
设置测试量程和单位
设置故障门限
标记点调整
3. 功率测量模式
天馈线测试端口只能用来测试无源系统，当测量功率时，需将外部功率传感器连接到功率端口。为了得到精确的测试结果，测量前应选择合适的前/反向功率探头并根据相应的前向功率来设置仪表功率范围。
注意： 要想得到最精确的结果，邀确保传感器连接到天馈线分析仪并且测试仪至少已开机5分钟。校准时传感器上不能加载功率。
连接功率传感器
设置满量程功率
设置偏移量
存储测量曲线
注意：仪表曲线和设置能够以非易失性的方式进行存储，同时可保
存可描述曲线特征的名称、测量日期/时间等相关信息。
四、结束语
市场激烈竞争要求射频网络运营商，降低每个基站的维护开销。SITE ANALYZER 的频域反射计(FDR)技术， 使得在重大故障发生前，就可以发现细小的、难于确认的问题，打破了传统的故障之后再修理的维护方法。60－80％的基站典型故障都是由于有问题的电缆、连接头和天线引起的。当电缆/天线被潮化或被损坏或放置不当，SITE ANALYZER 能够及时地发现问题。SITE ANALYZER 能够数秒钟之内在地面就能精确定位天线故障而不用爬到塔上去了。密封条安装得不好的话将腐蚀连接器，如果没有被及时发现的话，会逐渐损坏昂贵的同轴电缆。SITE ANALYZER 有足够的灵敏度在电缆被损坏之前就发现连接头问题。DTF （故障距离定位）能够清楚给出故障所在点。
天馈系统是射频网络的重要组成部分，其性能优劣对整体无线信号覆盖质量的影响至关重要。根据移动网运行质量统计结果分析, 造成无线覆盖质量指标下降的主要原因来自天馈系统（约占一半以上）。天馈系统分析仪能够测量回波损耗或驻波比、电缆损耗和长距离故障定位。这使得我们能 够快速评估传输线和天线系统的状况，并且加快新基站所需要的安装调试时间，节约成本并且提高了质量。因此，在日常维护中，必须高度重视对天馈系统性能的检查，最大限度发挥天馈系统的性能。
作者：李旭 周琨 电话：[1**********]
南京中山东路132号江苏广播电视总台广播传媒中心技术部总控