一种基站天线电性能参数监测方法与流程

本发明涉及基站天线维护技术领域，具体为一种基站天线电性能参数监测方法。

背景技术：

基站天线是无线通信的必备设备，天线的作用是将馈管中携带的声音等信息的高频电流转换成为自由空间的电磁波，反之收集自由空间中的电磁波转化为馈管中的高频电磁电信息。天线是无源设备，载波通过馈线送到天线的信号有多大，天线发出去的信号强度就有多大。它的电性能参数可以反映出基站工作状态是否正常，这有助于维护人员进行检修和调整；当软件无线电平台接收基站天线发射出的信号后，要对这个信号中的相关信息进行提取与处理，最终才能得到需要的参数值。

而传统基站监测系统仅能完成物理参数的监测，传统的物理参数监测仅能完成天线机械倾角和挂高等物理参数，这些参数只能在很小的层面上反映基站天线的工作状态，对于天线的电性能状态得不到较好的监测，所以其实用价值相对来说较小。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有更好的扩展性和便利性，有利于帮助基站维护人员对天线设备进行维护，对网络进行优化，提高移动终端用户与基站交互数据的稳定性和可靠性的基站天线电性能参数监测方法。技术方案如下：

一种基站天线电性能参数监测方法，包括以下步骤：

步骤1：采用hackrfone硬件平台接收基站天线发射出的电磁波，并对其进行中频处理和数字化处理；

步骤2：将处理后的数据传输至android系统终端，再进行数字滤波处理和fft处理得到频谱分析；

步骤3：完成电性能参数的提取：所述电性能参数包括半功率波束宽度、旁瓣电平、前后辐射比、方向性系数、天线增益，提取方法如下：

半功率波束宽度：先根据半臂长确定天线类型，进而确定天线的方向图函数，再根据方向图函数计算出3db处的角度θ'，则半功率波束宽度为：

2θ0.5＝2(90°-θ')

旁瓣电平：由频谱分析得到最大幅值，进而得到最大主瓣幅值和最大旁瓣幅值，再分别求两幅值的模；则旁瓣电平即为旁瓣的最大模值与主瓣最大模值的比值，再求分贝值：

其中，|es|为旁瓣最大模值，|em|为主瓣最大模值；

前后辐射比：由频谱分析得到最大幅值和最小幅值，分别求两个幅值的模，再分别对两幅值求功率值，再求前后辐射方向上的功率值之比，并转换成分贝单位，即：

其中：pf为前向功率，pb为后向功率；

方向性系数：先根据半臂长确定天线类型，进而确定天线的方向图函数，再计算辐射电阻rr，则方向性系数d为：

其中，，k为方向性系数常量，l为天线长度；转换为分贝单位：

ddb＝10lgd(db)

天线增益：天线增益为在输入功率相同的情况下，方向图中的最大辐射方向上辐射场区内某点的功率密度值与理想的无方向性天线在相同点的功率密度值之比，即：

在为无方向性天线的情况，有

其中，pin为输入功率，r为辐射点到天线的距离，e^r为天线的辐射效率；

转换为分贝单位：

gdb＝10lgg(db)

或通过下式估算：

其中，θe和θh分别为天线水平面和垂直面的半功率波束宽度，单位为度。

进一步的，所述步骤2中，滤波处理采用的是blackman-harriswindow实现的fir滤波器。

更进一步的，所述步骤2中，所述fft处理采用蝶形算法实现。

更进一步的，所有的数字信号处理及电性能参数提取均在android端进行，且最终频谱及电性能参数值均在android终端上显示。

本发明的有益效果是：本发明的监测方法有利于帮助基站维护人员对天线设备进行维护，对网络进行优化，提高移动终端用户与基站交互数据的稳定性和可靠性的基站天线电性能参数监测方法。

附图说明

图1为本发明基站天线方向图的球型坐标。

图2为本发明半功率波瓣宽度参数提取软件实现流程图。

图3本发明半功率波瓣宽度参数提取软件实现流程图。

图4为本发明前后辐射比参数提取软件实现流程图。

图5为本发明方向性系数参数提取软件实现流程图，其中cix为计算辐射电阻的一个中间值。图6为android平台运行软件的频谱效果图。

图7为android系统平台上参数提取结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本实施例采用hackrfone硬件平台接收基站天线发射出的电磁波，并对其进行中频处理和数字化处理；将处理后的数据传输至android系统终端，再进行信号处理与参数提取。

所述hackrfone硬件平台上接入的接收天线为标准的gsm制式有源天线；设置有mdt测量模块，所述mdt测量模块通过uart接口与lpc43xx的uart控制器对接，所述mdt测量模块中的uartttl接口与lpc43xx的uart1交叉连接，在lpc43xx的uart1接收到下mdt测量模块定时传送过来的mdt数据。

所有的数字信号处理及电性能参数提取均在android端进行，且最终频谱及电性能参数值均在android终端上显示。

android系统端进行应用程序开发使用到libusb.so和libhackrf.so动态模块。除此之外，由于在应用程序中涉及到大量的数据处理等相关算法，为提升代码的执行效率，可在工程中建立很多的数据处理相关的函数，并且均采用c/c++来实现，在android应用中再通过jni接口调用。

在完成libusb.so和libhackrf.so编译之后，android系统中的应用程序就可以通过libhackrf.so控制hackrfone硬件平台了。在物理连接上，可以直接通过otg线连接android系统平台和hackrfone设备。然后测试在android应用程序中对hackrfone接收到的信号做简单的频谱显示。首先，在android应用程序中需要初始化hackrfone，然后控制hackrfone接收iq数据，处理iq数据，然后在android端显示谱线图，为了保证代码的执行效率，初始化和接收处理iq数据这些操作均采用c代码实现，最终的显示送到java层展示。

信号处理与参数提取是软件实现的核心部分，主要针对的是射频数据的处理，时域iq信号从lpc43xx传输到android系统平台之后，会进行滤波处理、fft等处理，得到频谱分析。滤波处理采用的是blackman-harriswindow实现的fir滤波器，而fft采用了蝶形算法实现。

参数提取软件的实现主要完成了半功率波束宽度、旁瓣电平、前后比、方向性系数、天线增益这几个电性能参数的监测。

基站天线的方向图是表征天线辐射特性与天线的空间角度关系，如图1所示，为一个简化的方向图的空间立体效果。

在本实施例中所使用的即为定向双极化基站天线(半波对称振子)，一般基站上会采用三条定向板状基站天线(定向天线)作为整个基站的天线。对称振子是最基本也是最常用的天线形式，其常见的长度是l＝λ/4，即全长l＝2l＝λ/2，称为半波振子。在辐射近场中的振幅如式(1)：

在式(1)中，考虑损耗β'＝β-jα，无耗时，则可得式(2)：

半波对称振子天线(l＝λ/2)辐射场振幅可有式(3)：

根据与方向有关的因子作为对称振子的方向函数，称为归一化的方向函数(r为常量)，如式(4)：

由式(4)可得归一化方向(图)函数，如式(5)：

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

而对于全波振子(l＝2l＝λ)，其归一化的方向图函数如式(7)：

下面，基于前面的归一化方向(图)函数，对基站天线方向图中的相关参数的提取算法进行分析。

半功率波束宽度：

半功率波束宽度，先根据半臂长确定天线类型，进而确定天线的方向图函数，然后计算出3db处的角度θ'，再根据主瓣一般都是沿最大辐射方向对称的，即可求出半功率波束角度值2θ0.5。如图2所示提取半功率波瓣宽度的软件实现流程图。

半臂长：本实施例的被监测天线为对称结构，即天线有两个臂，其每半个臂长度就是所谓的半臂长，在计算实际的电性能参数时需要得它，它实际就是天线长度的一物理参数。

半功率波束宽度指的是基站天线的方向图上，主瓣上两个半功率点间的夹角值的大小，记为2θ0.5，又称为主瓣波束宽度或3db波束宽度，而半功率点指的是场强值下降到最大值的0.707倍时对应点。一般情况下，天线的e面(与电场平行的方向图切面x)和h(与磁场方向平行的方向图切面z)面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2θ0.5e和2θ0.5h。在实际应用中，无论基站天线的方向图的主瓣是否关于最大辐射方向对称，均可取θ0.5的2倍得到主瓣宽度。两个零辐射向径之间的夹角称为主瓣张角，用2θ0来表示；一般对于半功率波束宽度的计算在幅度方向图中进行，场强(幅值)为主瓣最大值的0.707倍的两点所张的夹角^[31]。本文中的目标基站天线是定向单极半波天线，其方向图函数为式(6)，式中θ指从天线轴起算的角度，由于定向，则其θ的最大值为90°，那么对应的场强最一化后的最大值为1，即fmax(θ＝90°)＝1。然后计算3db处角度θ'，即根据式(8)：

然后，可根据2θ0.5计算出主瓣宽度，有式(9)：

2θ0.5＝2(90°-θ')＝78°(9)

水平半功率角定义了天线水平平面的波瓣宽度，该值越大表明基站天线在扇区交界处上的信号覆盖效果也就越好。垂直平面的半功率角定义了天线的垂直平面的波瓣宽度，其半功率角越小，就表明主波束方向之外的信号衰减很快，偏离越远就衰减越快。

旁瓣电平：

由频谱分析得到最大幅值，进而得到最大主瓣幅值和最大旁瓣幅值，再分别求两幅值的模；则旁瓣电平即为旁瓣的最大模值与主瓣最大模值的比值，再求分贝值。如图3所示旁瓣电平参数提取的软件实现流程图。

天线的方向图有许多波瓣，除了有最大辐射强度的主瓣之外，其余的均为副瓣。旁瓣代表了分散辐射，所以一般情况下都是有害的，其分散的能量不能集中到主瓣方向上，势必会造成干扰。旁瓣电平一般以分贝表示，如式(10)^[32]为其计算公式，旁瓣电平等于旁瓣的最大模值与主瓣最大模值的比值，再求分贝值即可：

在工程中，副瓣电平记为sll，一般指的是与主瓣相邻的旁瓣。在旁瓣的方向上，一般是不会进行信号的辐射和信号的接收，若基站天线的旁瓣电平愈低，则基站天线对干扰信号的抑制力愈强。一般情况下可认为离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低，所以第一旁瓣电平的高低在某种意义上反映了天线方向性的好坏。

前后辐射比：

由频谱分析得到最大幅值，进而得到最大主瓣幅值和最大旁瓣幅值，再分别求两幅值的模；则旁瓣电平即为旁瓣的最大模值与主瓣最大模值的比值，再求分贝值。如图4所示前后辐射比参数提取软件实现流程图。

定向天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向(规定为0°，前向)的电平与其相反方向附近(规定为180°±20°范围内，后向)的电平之比值，通常也以分贝为单位，其表明了天线对后瓣抑制的好坏。如图3-6所示，为前后比的示意图。

其计算公式如式(11)：

其中：pf为前向功率，pb为后向功率；

方向性系数：

先根据半臂长确定天线类型，进而确定天线的方向图函数，再计算辐射电阻rr，根据辐射电阻rr计算出方向性系数，再转换为分贝单位。如图5所示方向性系数参数提取的软件实现流程图。

方向性系数的测量可以借助天线的辐射电阻来完成，也可根据方向图函数来完成的，在本实施例中，根据天线的辐射电阻来实现。

半功率波束宽度、旁瓣电平和前后比三个参数可以部分反映出基站天线的定向辐射效果，但不能单独反映天线的集束能力，即旁瓣电平较低并不意味着集束能力强，而旁瓣电平小也不意味着方向性必好；而方向性系数的出现则可以有效表示在线集束能量的能力。

方向系数(d，directivity)是基站天线比较重要的一个电性能参数，可以单独地、定量地对基站天线的信号集束能力的进行描述。如式(12)所示，为方向系数的计算公式，其表示为基站天线在最大辐射方向上且在辐射场区内某点上的功率密度值与理想的无方向性基站天线在同一位置点的功率密度值之比：

式(12)成立的条件是pr(辐射功率)的值与r(扫描点到天线距离)的值是一样的。在上式中，sm和s0分为表示为式(13)：

故有式(14)：

因此，有式(15)：

根据式(15)可知，方向系数由场强在全空间的分布情形决定，若方向图确定了，则d也就确定了，因此d可以由方向图函数算出，有式(16)所示：

将上式代入(14)中，得式(17)：

若即方向图对z轴对称(与无关)，则可得式(18)：

而一般情况下，会使用分贝来表示方向性系数，则有式(19)：

ddb＝10lgd(db)(19)

从式(19)可以看出，主瓣愈窄，分母积分越小，因而d越大。在实际情况中，将上式积分利用图解积分法由被积函数曲线所包围的面积进行近似计算，有式(20)：

同时，对称振子的方向系数来说更为方便，可以利用其辐射电阻来计算其辐射功率，因而可得出利用辐射电阻计算天线方向系数，可得d与辐射电阻的关系式(21)：

在式(21)当中，rr就是辐射电阻值；对最大方向为θ＝90°的对称振子来说，由上式可以式(22)：

在式(22)中，k为方向性系数常量，l为天线长度，且l<0.7λ，所以对于半波振子来说，即可得到其方向系数为1.64(半波对称振子的辐射电阻经式(23)计算为73.1ω：

天线增益：

天线增益指的是在输入功率相同的情况下，方向图中的最大辐射方向上辐射场区内某点的功率密度值与理想的无方向性天线在相同点的功率密度值之比，其计算公式如式(24)：

式(24)成立条件是输入功率(pin)和某点到天线距离r均相同。本文所设定的无方向性天线即为理想的天线设备，其损耗为0，即辐射功率与输入功率pin相等，故有式(25)：

对于半波对称天线来说，其辐射效率与电偶极子是一样的，其值等于方向系数与辐射效率之积，对于半波对振天线来说，其辐射效率与电偶极子的辐射效率是一样的，即e^r＝1。所以，根据式(25)即可估算出天线的增益值。

在式(25)中，e^r为天线的辐射效率(radiationefficiency)，其表达式为(26)：

在式(26)中，rr为辐射电阻，而rσ为高频电阻。从上式可知，g是天线方向系数和辐射效率这两个参数的结合，对于微波天线，其e^r很高，g与d差别不大；通常用db来表示增益，如式(27)：

gdb＝10lgg(db)(27)

在式(27)中，g为功率密度比，因此lg前系数是10，设电偶极子e^r＝1，则其增益为10lg1.5＝1.76db。针对半波对称振子天线来说，e^r取值也为1，则其gdb为10lg1.64＝2.15db，这个值非常重要。在工程应用中，会以2.15db作为比较标准值，称为1dbd，而dbi表示的是有向天线与理想天线的增益比值，根据以上有式(28)：

dbi＝dbd+2.15db(28)

从前面的研究可知，基站天线的方向图的主瓣越窄，则天线的增益越高，一般的天线增益可以通过式(29)来进行估算：

在式(29)当中，30000是统计出来的经验数据，而θe和θh分别为天线水平面和垂直面的半功率波束宽度，单位是度。比如水平面波束65°，垂直面波束为7°的定向天线，按上式计算得到增益值为18db；由此可见天线的增益越高，天线的波束就越窄。