【導讀】在天線(xiàn)設計中，對其參數的測試和驗證是不可或缺的過(guò)程。而近場(chǎng)測量的原始數據需要包含幅度相位信息，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀則是主要測試儀器設備。
天線(xiàn)近場(chǎng)測試
在天線(xiàn)設計中，對其參數的測試和驗證是不可或缺的過(guò)程。而近場(chǎng)測量的原始數據需要包含幅度相位信息，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀則是主要測試儀器設備。
該案例，基于成都玖錦的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀VNA1000A，設計了天線(xiàn)近場(chǎng)測量方案。
1 天線(xiàn)測量技術(shù)概述
天線(xiàn)作為通訊、雷達等應用領(lǐng)域的重要組成部分，其參數的測試和驗證是天線(xiàn)設計過(guò)程中不可或缺的過(guò)程。
天線(xiàn)測試的主要內容是測量天線(xiàn)的電參數、輻射參數，以評價(jià)天線(xiàn)的性能。根據天線(xiàn)的尺寸、輻射特點(diǎn)，天線(xiàn)測試方法主要有遠場(chǎng)測試、近場(chǎng)測試、緊縮場(chǎng)測試等。
圖1 近場(chǎng)和遠場(chǎng)區域天線(xiàn)輻射波瓣圖
天線(xiàn)遠場(chǎng)測試技術(shù)是最早出現并發(fā)展成熟的。
遠場(chǎng)測量時(shí)，源天線(xiàn)和待測天線(xiàn)（AUT）之間的距離R大于2D2/λ ，此時(shí)，從源天線(xiàn)按球面波前到達AUT的邊緣與AUT中心的相位差小于 π/8，（相當于 λ/16 的波程差）。
源天線(xiàn)發(fā)射信號，通過(guò)空間輻射，由AUT接收信號。AUT通常放置于精密轉臺上。在經(jīng)過(guò)相應的校準之后，通過(guò)比較發(fā)射和接收信號的電平，就得到AUT的增益和輻射波瓣圖。
在需要相位信息的場(chǎng)合，可通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量并比較源天線(xiàn)輻射的信號與AUT接收信號的幅度相位。
源天線(xiàn)和AUT可以根據需要放置于微波暗室或外場(chǎng)。
遠場(chǎng)測量的優(yōu)點(diǎn)在于：
（1）測量方法簡(jiǎn)單，結果直觀(guān)。通過(guò)簡(jiǎn)單的校準、運算即可得到所需測量結果；
（2）任何距離測量的場(chǎng)波瓣都是有效的，僅需要對場(chǎng)強按1/R進(jìn)行簡(jiǎn)單的變換；
（3）測量結果對于天線(xiàn)的相位中心的位置變化不太敏感，因而旋轉待測天線(xiàn)并不會(huì )導致明顯的測量誤差；
（4）待測天線(xiàn)與源天線(xiàn)之間的耦合和多次反射對測量結果的影響可以忽略。
IEEE 標準 IEEE-Std-149-1979 規定了天線(xiàn)遠場(chǎng)測量的場(chǎng)地和測量設置。
遠場(chǎng)測試技術(shù)雖然最早成熟，但是由于其對大測試場(chǎng)地和電磁環(huán)境的特殊要求，測試非常不方便，人們一方面用緊縮場(chǎng)產(chǎn)生平面波來(lái)模擬無(wú)線(xiàn)長(cháng)度的場(chǎng)地，另一方面則是用近場(chǎng)測試代替遠場(chǎng)測試。
近場(chǎng)測量的原理是在一個(gè)面上采集待測天線(xiàn)近場(chǎng)數據，然后通過(guò)近遠場(chǎng)變換算法，得到待測天線(xiàn)遠場(chǎng)輻射特性。根據取樣面的形式,可分為平面掃描、極平面掃描、柱面掃描和球面掃描技術(shù)，平面近場(chǎng)測量使用最為普遍。近場(chǎng)測量的原始數據需要包含幅度相位信息，儀器設備主要是矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，或測量接收機、信號源等組成。
平面近場(chǎng)掃描測試天線(xiàn)（探頭）在直角坐標或極坐標平面做位移，測量近場(chǎng)幅相分布，以此為基礎進(jìn)行外推計算遠場(chǎng)天線(xiàn)方向圖、增益等參數。探頭天線(xiàn)位于A(yíng)UT的輻射近場(chǎng)，掃描平面距離AUT面大約幾個(gè)波長(cháng)。
圖2 直角坐標、極坐標平面掃描
近場(chǎng)掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：
(1) 理論嚴格:包含探頭特性的全部數據都被表示為麥克斯韋方程精確解的線(xiàn)性組合,而未引入小角度,標量繞射等近似解。
(2) 精度高:消除了遠場(chǎng)測量的近距效應,各種誤差源可以檢測并補償,信噪比高,重復性好。
(3) 信息量大:一次掃描可獲得整個(gè)空間全部信息,如幅度、相位、極化、三維方向圖等。
(4) 診斷功能:通過(guò)重建口徑場(chǎng),可以發(fā)現常規遠場(chǎng)測量難以發(fā)現的故障。對相控陣天線(xiàn)，通過(guò)診斷測試對AUT口徑面存在的失效、超差、誤碼等進(jìn)行識別、標定，為更換器件修正通道誤差提供依據。
近場(chǎng)測量中，不準確的探頭定位、反射、電纜移動(dòng)、接收機非線(xiàn)性、探頭校準誤差、有限的掃描域等因素影響測量的精度。因此，從技術(shù)的角度，近場(chǎng)測量技術(shù)的復雜程度高，對掃描架精度，儀器的穩定性有較高的要求。
2 天線(xiàn)近場(chǎng)測試方案
天線(xiàn)近區場(chǎng)測量的基本項目與功能如下：
（1） 無(wú)探頭修正近遠場(chǎng)交換
（2） 有探頭修正近遠場(chǎng)轉換
（3） 近場(chǎng)口徑變換、診斷
（4） 增益計算
（5） 副瓣分析
（6） 極化分析
（7） 和差方向圖
（8） 方向性分析
根據測量頻段和實(shí)際需求的不同，近場(chǎng)測試分為非變頻的直接測量和變頻測量?jì)煞N方法。非變頻測量時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀直接在射頻微波的高頻上進(jìn)行收發(fā)測試，主要適用于頻率相對比較低，傳輸線(xiàn)損耗比較小的應用。如C波段、S波段。而在高頻段，尤其在18GHz以上測量傳輸線(xiàn)的損耗大，在掃描過(guò)程中線(xiàn)纜的相位波動(dòng)明顯。此時(shí)天線(xiàn)接收的信號一般需要先變換到中頻，再由傳輸到矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行測量處理，避免了高頻段長(cháng)距離傳輸帶來(lái)的損耗，以及在掃描過(guò)程中的相位波動(dòng)。
2.1 直接測量方案
直接測量方案由成都玖錦的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀VNA1000A、掃描支架、近場(chǎng)測試探頭、待測天線(xiàn)支架、主控PC、掃描控制器以及微波暗室組成。將待測天線(xiàn)AUT作為發(fā)射端，測試探頭作為接收端（可根據實(shí)際情況變換）。VNA1000A的一個(gè)端口發(fā)射信號，另一端口作為接收端口。在各掃描點(diǎn)測量接收信號b和發(fā)射信號a的比值（幅度，相位）。在必要的情況下，可以用功率放大器將發(fā)射信號放大，在接收天線(xiàn)后采用低噪聲放大器提高系統靈敏度。
通過(guò)自動(dòng)測試軟件控制掃描控制器、探頭極化方式、儀器狀態(tài)和測量結果采集、計算和輸出結果等。
圖3近區場(chǎng)測量的非變頻方案
2.2 變頻測量方案
變頻測量系統由成都玖錦四端口的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀VNA1000A、各頻段測量波導探頭、混頻器、定向耦合器、功率放大器、功率分配器、主控計算機以及相應的測控軟件、數據處理軟件等組成。如圖4所示。
圖4 近區場(chǎng)測量的變頻方案
將待測天線(xiàn)作為發(fā)射端，而探頭作為接收端（注：可以根據具體情況進(jìn)行收發(fā)轉換）。在發(fā)射端，由VNA1000A產(chǎn)生信號（如需要可增加功率放大器，將測試頻段的輸出功率放大到所需的電平）通過(guò)定向耦合器耦合部分功率作為參考信號，輸入至網(wǎng)絡(luò )分析儀，在高頻段（如：X波段以上）為了減少路徑損耗和路徑相位的變化，參考信號通過(guò)混頻變化為較低的頻率（中頻）輸入至網(wǎng)絡(luò )分析儀。網(wǎng)絡(luò )分析儀的接收通道可以自由設定接收機的頻率至中頻。
本振信號由VNA1000A網(wǎng)絡(luò )分析儀第二個(gè)獨立的源產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)功率分配器等分兩路，放大到足夠的電平，供參考支路和接收支路混頻器作為本振信號。
接收端通常由波導探頭作為接收天線(xiàn)，通過(guò)混頻器將接收信號變換為中頻信號送至VNA1000A網(wǎng)絡(luò )分析儀的接收通道。
網(wǎng)絡(luò )分析儀比較參考信號和接收信號的幅度和相位，通過(guò)對系統的校準從而得到天線(xiàn)近區場(chǎng)的幅度和相位。
VNA1000A的工作可以設定為掃頻、點(diǎn)頻、步進(jìn)掃頻、列表模式，可以快速測試多頻點(diǎn)的多通道的數據。與機械掃描方式相配合，可以完成近區場(chǎng)的完整的掃描測試。
3 天線(xiàn)測量處理軟件
軟件主要負責近場(chǎng)和遠場(chǎng)測量的各種儀表設備的自動(dòng)控制、數據采集、處理等工作。
軟件功能包括但不限于控制掃描架；控制轉臺的方位、俯仰軸的起止角度和轉動(dòng)速度；控制待測天線(xiàn)狀態(tài)（極化方向），對相控陣而言，控制TR單元的狀態(tài)；控制矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行近場(chǎng)信息采集、自動(dòng)選擇測試模式（點(diǎn)頻或掃頻模式下的測試頻率、信號源功率等）、自動(dòng)讀取方向圖的電參數特性（如3dB波束寬度、副瓣電平、前后比、電下傾角等）；進(jìn)行近場(chǎng)-遠場(chǎng)推算；輸出的方向圖等結果，顯示、打印、繪圖輸出。
圖 5 天線(xiàn)方向圖（極坐標、直角坐標）
圖6 波束比較處理
圖7 場(chǎng)分布、波瓣立體顯示
圖8 近場(chǎng)數據曲線(xiàn)
4 實(shí)測數據
某天線(xiàn)廠(chǎng)家實(shí)際應用測試情況反饋如下：成都玖錦的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀VNA1000A接收機底噪在-120dB左右，性能良好，滿(mǎn)足測試需求，尤其是相位穩定度，在對比測試中一直優(yōu)于某國際品牌。測試對比結果見(jiàn)下圖:
圖9 近場(chǎng)數據曲線(xiàn)
5 矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀介紹
成都玖錦自主研發(fā)的VNA1000A是一款高性能的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，具有優(yōu)良的測試動(dòng)態(tài)范圍、分析帶寬、相位噪聲、幅度精度和測試速度；該設備提供單端口、響應隔離、增強型響應、全雙端口等多種校準方式，內設對數幅度、線(xiàn)性幅度、駐波、相位、群時(shí)延、Smith圓圖、極坐標等多種顯示格式，外配USB、LAN、GPIB、VGA等多種標準接口，具有傳統矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的全部測量功能，能精確測量微波網(wǎng)絡(luò )的幅頻特性、相頻特性和群時(shí)延特性。
VNA1000A的主要特點(diǎn)如下：
01 四個(gè)內部相位相參信號源，八個(gè)真正并行測量的接收機：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀組合了四個(gè)內置的相位相參信號源及八個(gè)真正并行測量的接收機，可以提供高達50GHz的完美四端口解決方案。一次連接可完成幾乎所有的線(xiàn)性測試和非線(xiàn)性測試，為進(jìn)行廣泛的測量提供了強大的硬件支撐。
02 高動(dòng)態(tài)范圍：130dB（典型值）,跡線(xiàn)噪聲優(yōu)于0.001dB,測量精度高：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀采用混頻接收的設計理念，有效的擴展了整機的測試動(dòng)態(tài)范圍，以滿(mǎn)足您對大動(dòng)態(tài)范圍的測試需求；優(yōu)異的跡線(xiàn)噪聲指標極大地提高了整機的測試精度，可滿(mǎn)足用戶(hù)精確測量的需要，特別有助于小插損器件的精確測量。
03 校準類(lèi)型靈活可選，兼容多種校準件：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀可使用機械校準件進(jìn)行直通響應校準、直通響應與隔離校準、單端口校準、增強型響應校準、全雙端口TOSM校準、TRL校準等多種校準類(lèi)型，可根據實(shí)際測試需要選擇N型、同軸3.5mm.2.4mm等多種校準件，方便不同接口類(lèi)型器件的測試。
04 支持多窗口、多通道測量，快速執行復雜測試方案：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀具有多通道和多窗口顯示功能，最多支持64個(gè)通道，最多可同時(shí)顯示32個(gè)測量窗口，每個(gè)窗口最多可同時(shí)顯示20條測試軌跡，具有對數幅度、線(xiàn)性幅度、駐波、Smith圖等多種顯示格式，使觀(guān)測結果更加直觀(guān)，用戶(hù)使用方便。
05 外設接口豐富，靈活實(shí)用：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀采用兼容PC的嵌入式計算機模塊和Windows操作系統組成的軟硬件平臺，實(shí)現了測試儀器和個(gè)人計算機的完美結合。用戶(hù)可以利用豐富的I/O接口（包括GPIB、USB和LAN等）來(lái)完成數據通訊。12.1英寸1024X768高分辨率多點(diǎn)觸控顯示屏，人性化用戶(hù)界面簡(jiǎn)潔直觀(guān)，便于操作，可提高測試效率。
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