天线计量校准安全防护概述及技术分析

天线计量校准安全防护概述及技术分析

邵振龙

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广电计量检测（西安）有限公司

摘要：在无线通信领域，天线的性能直接影响着信号的传输效率和通信质量。天线计量校准作为确保天线性能的关键步骤，其安全防护措施和技术分析显得尤为重要。本文将深入探讨天线校准的目的、技术规范、计量特性，以及相控阵天线校准的特殊技术和方法，同时关注校准过程中的安全防护，为通信系统的稳定运行提供理论支持和实践指导。

关键词：天线计量校准；安全防护；技术分析

一、天线校准的目的与核心功能

天线校准，这一看似简单的技术环节，实则是无线通信系统稳定运行的基石。其目的与核心功能的深入理解，有助于我们更好地把握通信网络的性能优化和故障排除。首要的，天线校准的目标在于确保无线电设备间的通信信号在发射与接收过程中，尽可能地保持一致性和可靠性。在无线通信的广阔领域中，信号的传输与接收往往受到各种因素的干扰，如环境变化、设备老化和制造误差等，这些都是影响信号质量的关键因素。天线校准正是通过精确测量和调整，使天线达到最优的工作状态，从而降低这些因素带来的影响。

其核心功能之一，是获取天线的加权系数。加权系数是衡量天线在特定方向上辐射或接收信号能力的数值，它直接影响着信号的传播效率和方向性。通过校准，我们能够确定这些系数，使天线能在预期的方向和频率上表现出最理想的特性。这个过程基于信道互易性原理，即天线在发射和接收信号时，其性能在数学上是可逆的。简单来说，如果天线在发射端的信号特性经过某种处理后，可以精确地反映出在接收端的特性，那么这个处理过程就是信道的互易性。

然而，在实际应用中，无线电设备，尤其是RRU（Remote Radio Unit，远程射频单元），往往存在信道的非互易性。这些非互易部分可能是由于硬件设计的不完美，或者内部电路的交互效应导致的。非互易性带来的结果是，即使天线的发射和接收通道在理论上应该是对称的，但在实际工作中，这些通道可能会存在差异，从而影响信号的传输质量。因此，天线校准的另一个关键任务就是消除这些非互易性，确保天线在发射和接收过程中的通道互易性，从而提高整个通信系统的性能。

通过天线校准，我们可以纠正这些偏差，确保天线的辐射特性与设计预期一致，优化信号的发射和接收，降低信号衰减，提高通信质量。此外，校准还可以帮助我们早期发现设备的潜在故障，如天线元件的损伤或RRU的性能退化，以便及时维护和调整，避免通信中断或性能下降。

二、天线校准的技术规范与标准

天线校准的工作并非凭空臆造，而是基于一套严谨的科学标准和规范。全国无线电计量技术委员会，作为权威的计量技术机构，负责制定和解释这些技术规范，确保天线校准的实施具有科学性、准确性和一致性。这些规范涵盖了从阵列天线增益校准到相控阵天线的辐射参数评估，为天线校准提供了一套详尽的指南。

JJF XXXX─XXXX规范，作为我国天线校准领域的重要依据，详细规定了天线校准的方法和程序。它为校准设备的选择、校准环境的要求、校准步骤的执行以及数据处理和分析提供了明确的指导。遵循这一规范，校准实验室可以确保在校准过程中采用统一的技术手段，从而降低因操作差异导致的误差，提高校准结果的可比性。

CISPR 16-1-6标准，是国际公认的单极子天线校准标准，它推荐了等效电容法作为主要的校准方法。这种方法利用一个等效电容来模拟实际天线振子，通过对这个等效电容的测量来确定天线的特性。这种方法的简便性和准确性，使得它成为校准单极子天线时的首选，确保了校准结果的可靠性和一致性。

这些技术规范的实施，不仅要求校准实验室具备相应的硬件设施，如半电波暗室，以提供理想的测试环境，还必须对操作人员进行严格的培训，确保他们理解并能够遵守规范中的每一项要求。实验室必须定期接受质量体系审核，以验证其执行标准的合规性和校准结果的可信度。

比如，在进行相控阵天线的校准时，这些规范会详细指导如何在远场、中场或近场环境中进行测量，以及如何处理测量数据，确保辐射参数的准确评估。通过采用这些标准化的程序，可以降低由于人为因素或环境因素造成的不确定性，从而提高整个通信系统的性能和可靠性。

天线校准的技术规范与标准是校准工作得以精确、一致执行的基石。它们不仅确保了校准过程的标准化，还为校准结果的互认提供了基础，这对于全球的无线通信行业至关重要。随着通信技术的不断发展，这些规范也将不断更新和完善，以适应新的技术和应用需求，确保天线校准技术始终处于前沿水平。

三、天线校准的计量特性与校准条件

在天线校准的实际操作中，了解其计量特性与校准条件是至关重要的一步。这些特性不仅影响校准的精度，还对通信系统的性能产生直接的效应。以下是关于天线校准的计量特性与校准条件的深入分析。

天线校准的计量特性主要集中在测量的三维天线方向性图的电平上。这些电平值根据天线的类型和频率范围各有差异。对于线结构类天线，如常见的馈源天线，其在校准过程中可测量的电平范围通常在-30到0 dB之间，频率范围覆盖1到26.5 GHz。这是因为线性元素如鞭状天线或波导天线主要在水平方向上辐射能量，垂直方向上的辐射特性较弱。

面结构类天线，如常见的微带天线或平板天线，其电平范围通常更广，介于-40到0 dB之间，频率范围扩展至1到50 GHz。这类天线由于其设计特性，能够覆盖更宽的辐射角度，特别是在水平面内的辐射更为均匀。这些不同类型的天线在校准时，需要针对其特性选择合适的测量方法和设备，以确保测量结果的准确无误。

环境条件对天线校准结果有着显著影响。校准过程通常在标准的实验室环境中进行，如半电波暗室，这些暗室的电性能达到世界领先水平，能够模拟无限大理想导电平面，为测试提供无干扰的环境。半电波暗室的电屏蔽特性对于防止外部电磁信号的干扰至关重要，确保了测量结果的可靠性。理想的实验室条件还包括恒定的温度和湿度控制，因为温度变化可能影响天线材料的介电常数，从而影响天线的电气性能，而湿度则可能引起天线表面的电导率变化，影响信号的传输。

校准过程中的条件控制同样包括对校准设备的精确校准，如信号发生器和功率计，这些设备的精度直接影响到测量结果的可信度。操作人员需要严格遵循JJF XXXX─XXXX规范或CISPR 16-1-6标准，确保每个步骤都符合标准化的要求，从而减少人为误差。

在进行相控阵天线校准时，由于其复杂性，环境条件和设备校准的要求更为严格。远场测量需要确保测量区域远离天线，以便模拟真正的自由空间辐射特性，而近场测量则要求在较短的距离内进行，以便准确测量天线在特定距离内的辐射模式。这些不同的测试区域选择，都基于对天线性能评估的不同需求和校准方法的特定要求。

天线校准的计量特性与校准条件是确保校准过程精确性和结果可靠性的重要因素。对这些特性和条件的深入理解和精准控制，是确保天线性能达到设计要求，进而提升整个无线通信系统性能的关键。因此，无论是实验室环境的设置，还是操作过程的规范执行，都应以这些特性与条件为基础，以确保天线校准工作的高效与科学。

结束语

天线计量校准是通信系统性能优化不可或缺的一环。通过遵循严格的技术规范，采用恰当的校准方法，以及实施有效的安全防护措施，我们可以确保天线在校准过程中的准确性和可靠性，从而提升整个通信网络的性能。随着5G、6G等新一代通信技术的发展，天线校准技术也将面临新的挑战和机遇，持续的研究和创新将推动这一领域的发展，为未来的无线通信提供更强大的技术支持。

参考文献

[1]刘冠君, 陈益胜, 常志方. 基于等效电容法单极子天线校准器的研究[J]. 计量科学与技术, 2024, 68 (08): 10-17.

[2]刘冠君, 陈益胜, 张宏, 林珂, 刘文刚, 常志方, 曾婧. 基于TEM室的标准场法环形天线校准及不确定度分析[J]. 计量与测试技术, 2022, 49 (08): 108-111+115.