本发明涉及天线测试领域，尤其涉及一种结合室内近场和远场对有源天线进行OTA测量的方法。
背景技术：
目前天线方向图测试广泛使用的是室内近场和室内远场测试系统。
天线近场测量是在被测天线近场区内(距天线距离小于2D2/λ区域内，D为天线口径，λ为工作波长)，把一组电特性已知的探头放置在近场某一平面或曲面上，测量天线辐射信号的幅度和相位，测量数据经过近场到远场变换，通过计算得出被测体远场的电特性。近场测量具有建设成本低、测量速度快、一次测量就可以得到待测天线的三维方向图等优点。
天线远场测量则是用已知特性的平面波照射天线，得到天线的接收特性，然后利用天线的互易原理，得到天线的传播特性。测量时，辅助天线保持固定并发射信号，待测天线固定在转台上绕自己的中心旋转一周，同时把接收到的信号送给接收机测量。测量过程简单直观，但每次只能测一个方向图截面。
随着移动通信行业在中国的蓬勃发展，市场对基站天线和室内分布等各型天线的需求量激增，对各种天线的测试需求也十分迫切，因而全国各地众多的天线生产设计厂家、院所陆续建立起自己的室内近场、远场测量系统，形成庞大的测试资源。
传统的近场、远场测试系统只能测无源天线。目前在用的移动通信系统中，天线是无源设备，其与射频单元是各自独立的，可以从系统中分离出来单独进行测试。而有源天线是天线与射频单元的集成体，如3D-MIMO基站，称其为有源天线，其实质是一自带阵列天线的基站，射频单元部分和天线部分紧密结合在一起，难以拆分。测试时不得不打破原有的测试方式，将射频指标和天线指标一起测试，即OTA空口测试，才能得到有源天线全面真实的指标。
随着5G时代的来临，3D-MIMO技术、多用户赋形等技术兴起，传统的近场、远场系统不能测量有源天线的问题日益突出。要解决该问题，测试场需要增加专用设备、升级测试控制软件，对现有系统进行升级改造才行，这要花费大量资金。
技术实现要素：
本申请实施例通过提供一种结合室内近场和远场对有源天线进行OTA测量的方法，解决了现有技术中近场、远场系统不能测量有源天线的问题。
本申请实施例提供一种结合室内近场和远场对有源天线进行OTA测量的方法，包括以下步骤：
采用近场对有源天线的下行三维方向图进行测量；
采用远场对有源天线的增益和有效全向辐射功率进行测量；
所述采用近场对有源天线的下行三维方向图进行测量包括：将有源天线的发射信号部分耦合引入近场测量系统
优选的，当所述有源天线有耦合口时，通过所述耦合口获得所述有源天线的发射信号，并引入近场测量系统；当所述有源天线无耦合口时，通过耦合天线获得所述有源天线的发射信号，并引入近场测量系统。
优选的，所述有源天线的发射信号经过同轴衰减器或低噪声放大器进行强度调节，然后引入近场测量系统。
优选的，采用近场对有源天线的下行三维方向图进行测量的过程中，通过传输参考信号的同轴电缆使所述有源天线和所述近场测量系统共参考源，消除收发频率偏差。
优选的，所述采用远场对有源天线的增益和有效全向辐射功率进行测量包括：通过网络分析仪获得接收电平、同轴电缆损耗、空间传播损耗，根据特性已知的喇叭天线、所述接收电平、所述同轴电缆损耗、所述空间传播损耗得到有源天线的增益和有效全向辐射功率。
优选的，所述采用远场对有源天线的增益和有效全向辐射功率进行测量的过程中，颠倒远场的收发关系。
优选的，所述采用远场对有源天线的增益和有效全向辐射功率进行测量的过程中，通过传输参考信号的同轴电缆使所述有源天线和所述远场测量系统共参考源，消除收发频率偏差。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，把有源天线发出的信号耦合一部分引入近场测量系统，使有源天线与近场的接收系统相关，即可通过近场完成对有源天线下行三维方向图的测量。近场测试输出的结果除增益这一个指标外，其余指标都是正确的。接下来对现有的远场测试进行部分调整，通过网络分析仪读出信号接收电平，加上线缆损耗和空间损耗等综合损耗，得到有源天线的EIRP值。用EIRP减去有源天线发射功率PTX，即可到得到有源天线辐射单元增益GA的准确值，完成测量。使用本发明提出的方法，不需要对近场或远场添加专用的设备，不需要改动测量控制软件，即可完成对有源天线下行方向图的测量，充分挖掘了测量系统的潜力，使现有的测量系统可兼顾测试无源天线和有源天线。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为SATIMO SG128测试系统的框图；
图2为实施例一中SATIMO SG128室内近场测量Massive MIMO有源天线时的接线关系图；
图3为实施例二中SATIMO SG128室内近场测量无耦合口有源天线时的接线关系图；
图4为实施例三中室内远场测量有源天线时的接线关系图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
近场测量系统其本质是一个自发自收的超外差接收系统，测量普通无源天线时，近场发射机发出的信号经待测天线辐射出去，探头阵列把接收信号送到变频器将其下变频到中频，经I/Q解调后得到信号的幅度和相位信息，再后续处理完成测量。而有源天线是自己向外发射信号，不需要近场系统的信号输入。这时探头阵收到的是有源天线发出的信号，而不是测量系统发出的信号，两个信号不相关，解调器不能完成解调，故得不到有源天线所发信号的幅度和相位信息，不能完成测量。
使用本发明提供的方法，只需要几根同轴电缆和几个常见射频器件，把有源天线发出的信号耦合一部分引入近场测量系统，使其与近场的接收系统相关，即可用近场完成对有源天线下行三维方向图的测量。近场测试输出的结果除增益这一个指标外，其余指标都是正确的。接下来，照本发明的方法对远场进行几个简单的调整，通过网络分析仪读出信号接收电平，加上线缆损耗和空间损耗等综合损耗，得到有源天线的EIRP值。用EIRP减去有源天线发射功率PTX，即可到得到有源天线辐射单元增益GA的准确值，完成测量。
使用本发明提出的方法，不需要对近场或远场添加专用的设备，不需要改动测量控制软件，即可完成对有源天线下行方向图的测量，充分挖掘了测量系统的潜力，使现有的测量系统可兼顾测试无源天线和有源天线。
下面将说明的实施例一和实施例二均涉及SATIMO SG128测试系统，因此首先对SATIMO SG128测试系统进行说明，以便更好地理解本发明。
SATIMO SG128测试系统大概可以分测试硬件(信号源、变频单元、功放以及127个双极化场强探头等)和测试软件(Satimo测试软件、近场到远场数据处理软件)两个部分。暗室中央是一个内径6.25M的圆环，圆环上127个探头间隔2.83°依次排开，底下是Orbit的五轴转台。圆环的右下角则是系统仪表，将仪表放在暗室内，可以提供一个常年恒温恒湿的环境，提高仪表工作的准确性。系统框图如图1所示：
被测天线放在天线转台上作发射天线，127个采样探头作接收。主频率综合器的工作频率F0，即被测天线的发射频率。副频率综合器的工作频率为F0+Fif，中频Fif＝10.7MHz。高频单元实际上起变频的作用，并且把中频送到I&Q解调器。在探头控制器里有控制电子卡，它除了把调制信号Fm加到每一个探头上之外，还把标识信号Fi依次轮流地加在各个探头上。每个探头的两个极化各连在一个环线圈上，在某一个时刻只有一个探头的频率为Fif±Fm，其他探头的频率为Fif±Fm±Fi。I&Q解调器的滤波接收电路只接收Fif±Fm的信号。这样就可以轮流地把各个探头的电磁场的实部和虚部通过同步检波器取样出来，送入模拟/数字变换器。
在获得球面近场的取样数据以后，系统将根据指令进行近场到远场的变换，算出被测天线的远场方向图。测试过程中，天线转180°，每转2.57°探头在所有测试频点上采集一次数据。天线发射的信号探头分球面坐标上的θ和两个极化分矢量接收，然后再合成那一点实际的矢量场强。再综合每个角度所有的点形成近场的矢量方向图。
实施例一：
近场系统为SATIMO SG128室内近场，待测天线为Massive MIMO有源天线。测量时，接线关系参见图2，具体步骤如下：
1)把待测有源天线在近场转台上固定好，从待测有源天线的耦合口(CAL)引同轴电缆A至近场设备机柜的主信号源前面板处。
2)把近场设备机柜的主信号源输出口同轴电缆B从主信号源输出口上拧下，不使用主信号源输出信号。用匹配负载把主信号源的输出口堵上。即主信号源实际不参与整个测试过程。
3)用K-K接头把同轴电缆A和同轴电缆B连上，使待测天线发出的信号耦合进入近场测量系统，替代主信号源发出的信号。如果从待测天线耦合出的信号过强或过弱，可串入适当的同轴衰减器或低噪声放大器，使馈入近场系统的信号电平与原主信号源的输出电平一致，3～6dBm即可。
4)用两端为BNC-M接头的同轴电缆C，把待测有源天线10MHz参考输出“10MHz OUT”口与近场设备机柜的辅信号源后面板“10MHz IN”口连上。并设置辅信号源使其使用外部10MHz参考。这样使近场系统与待测有源天线共参考源，消除收发频率偏差。
5)调整近场接收链路增益分配，使其在接收到有源天线的高电平信号后不至于饱和。
具体做法：在系统中的“ACTIVE MEASUREMENT TEST UNIT”设备的探头阵信号接收口“RX”口和“PROBE ARRAY”口串入合适的同轴衰减器。
6)原先连接到无源天线的电缆(图1中馈送F0到天线的电缆)空置，不接任何设备。
7)设置近场系统的测量频率与待测有源天线的发射频率一致，且每次测一个频率。
8)设置有源天线发射CW信号。
9)完成上述连线和设置后即可像测无源天线一样开始测试。额外引入的同轴电缆长度注意适度留有余量，避免在测量过程中转台旋转拉断电缆。
10)测量完成。输出的测量结果中，除增益这一个指标外，其余指标都是正确的。
实施例二：
近场系统为SATIMO SG128室内近场，待测天线为无耦合口有源天线。测量时，接线关系参见图3，具体步骤如下：
1)把待测有源天线在近场转台上固定好。
2)在转台上，靠近待测天线处固定同频段耦合天线。耦合天线和待测天线保持相对静止，测试时随待测天线一起旋转。
3)从耦合天线输出口引同轴电缆A’至低噪声放大器输入口。低噪声放大器工作频段与待测天线频段对应，其增益大小选择依据是：可保证其输出口电平达到原主信号源的输出电平。对于SG128近场，达到3～6dBm即可。
4)从低噪声放大器输出口，引同轴电缆A至近场设备机柜的主信号源前面板处。
5)把近场设备机柜的主信号源输出口同轴电缆B从主信号源上拧下，不使用主信号源输出信号。用匹配负载把主信号源输的出口堵上。即主信号源实际不参与整个测试过程。
6)用K-K接头把同轴电缆A和同轴电缆B连上，使待测天线发出的信号耦合进入近场测量系统，替代主信号源发出的信号。
7)用两端为BNC-M接头的同轴电缆C，把待测有源天线10MHz参考输出“10MHz OUT”口与近场设备机柜的辅信号源后面板“10MHz IN”口连上。并设置辅信号源使其使用外部10MHz参考。这样使近场系统与待测有源天线共参考源，消除收发频率偏差。
8)调整近场接收链路增益分配，使其在接收到有源天线的高电平信号后不至于饱和。
具体做法：在系统中的“ACTIVE MEASUREMENT TEST UNIT”设备的探头阵信号接收口“RX”口和“PROBE ARRAY”口串入合适的同轴衰减器。
9)原先连接到无源天线的电缆(图1中馈送F0到天线的电缆)空置，不接任何设备。
10)设置近场系统的测量频率与待测有源天线的发射频率一致，且每次测一个频率。
11)设置有源天线发射CW信号。
12)完成上述连线和设置后即可像测无源天线一样开始测试。额外引入的同轴电缆长度注意适度留有余量，避免在测量过程中转台旋转拉断电缆。
13)正式测量前须调整耦合天线位置，使低噪声放大器输出电平满足近场要求，同时耦合天线不影响对待测天线的测量。
14)测量完成。输出的测量结果中，除增益这一个指标外，其余指标都是正确的。
实施例三：
远场为43米×20米×20米室内远场，待测天线为Massive MIMO有源天线。测量时，接线关系参见图4。为便于推导，规定下列记号：
喇叭天线1的增益，单位dB，记为：G1；
喇叭天线2的增益，单位dB，记为：G2；
同轴电缆1的损耗，单位dB，记为：IL1；
同轴电缆2的损耗，单位dB，记为：IL2；
空间传播损耗，单位dB，记为：Lp；
有源天线的有效全向辐射功率，单位dBm，记为：EIRP；
有源天线的增益(辐射单元的增益)，单位dB，记为：GA；
有源天线的发射功率，单位dBm，记为：PTX。
具体步骤如下：
1)把远场设备机柜内网络分析仪的P1、P2口接线交换，即颠倒远场的收发关系。测量无源天线时是喇叭天线1发射信号，转台上的待测天线接收信号。现在改成待测天线发射，喇叭天线1接收。
2)先用一辅助电缆通过K-K接头连到同轴电缆2的转台端，辅助电缆的另一端引到网络分析仪处，测出两根电缆的总插损，记为ILTOT。再取下辅助电缆，用网络分析仪测出辅助电缆的单独插损，记为ILAUX，则同轴电缆2(包括转台上同轴电缆、旋转关节、转台下同轴电缆、单刀多路开关等器件)的损耗值IL2＝ILTOT-ILAUX。
以在2.6GHz频率上测试为例，IL2＝12.6-2.6＝10.0dB。
3)把特性已知的喇叭天线2固定在转台待测天线位置，连接好同轴电缆2。控制转台转动，使喇叭天线2正对喇叭天线1。
4)设置网络分析仪发射功率为0dBm，连接好各电缆。此时网络分析仪接收到的电平记为Rx1，
则有：Rx1＝0-IL2+G2-Lp+G1-IL1 (3-1)
式(3-1)移项：IL1-G1+Lp＝G2-IL2-Rx1 (3-2)
称式(3-2)左边“IL1-G1+Lp”部分为综合损耗。
以Massive MIMO有源天线在2.6GHz频率上测试为例，
已知：G2＝16.93dB；IL2＝10.0dB；测得：Rx1＝-65.85dBm，
代入式(3-2)，得到综合损耗为：
IL1-G1+Lp＝16.93-10.0+65.85＝72.78dB (3-3)
综合损耗中的空间传播损耗项不便直接测量，而同轴电缆1的损耗，因其长度近80米，且接头位于远场两端，也不便直接测量。通过本方法，间接得到了综合损耗值。
5)把待测有源天线取代喇叭天线2，固定在转台待测天线位置。此时同轴电缆2空置即可。控制转台转动，使待测有源天线正对喇叭天线1。
6)用两端为BNC-M接头的同轴电缆3，把待测有源天线10MHz参考输出“10MHz OUT”口与网络分析仪后面板“10MHz IN”口连上。并设置网络分析仪使其使用外部10MHz参考。这样使远场系统与待测有源天线共参考源，消除收发频率偏差。
7)设置有源天线发射CW信号。
8)把网络分析仪设置在有源天线的发射频率上，其即接收到有源天线发出的信号，此时网络分析仪测得的接收电平记为Rx2，
则有：EIRP＝Rx2+IL1-G1+Lp (3-4)
把式(3-3)的值代入式(3-4)，有：
EIRP＝Rx2+72.78(dBm) (3-5)
而：GA＝EIRP-PTX(dB) (3-6)
有源天线的发射功率PTX是已知的，代入式(3-6)即得有源天线的增益。测量完成。
本发明实施例提供的一种结合室内近场和远场对有源天线进行OTA测量的方法至少包括如下技术效果：
在本申请实施例中，把有源天线发出的信号耦合一部分引入近场测量系统，使有源天线与近场的接收系统相关，即可通过近场完成对有源天线下行三维方向图的测量。近场测试输出的结果除增益这一个指标外，其余指标都是正确的。接下来对现有的远场测试进行部分调整，通过网络分析仪读出信号接收电平，加上线缆损耗和空间损耗等综合损耗，得到有源天线的EIRP值。用EIRP减去有源天线发射功率PTX，即可到得到有源天线辐射单元增益GA的准确值，完成测量。使用本发明提出的方法，不需要对近场或远场添加专用的设备，不需要改动测量控制软件，即可完成对有源天线下行方向图的测量，充分挖掘了测量系统的潜力，使现有的测量系统可兼顾测试无源天线和有源天线。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。