【導(dǎo)讀】在天線設(shè)計(jì)中，對(duì)其參數(shù)的測(cè)試和驗(yàn)證是不可或缺的過程。而近場(chǎng)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)需要包含幅度相位信息，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀則是主要測(cè)試儀器設(shè)備。
天線近場(chǎng)測(cè)試
在天線設(shè)計(jì)中，對(duì)其參數(shù)的測(cè)試和驗(yàn)證是不可或缺的過程。而近場(chǎng)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)需要包含幅度相位信息，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀則是主要測(cè)試儀器設(shè)備。
該案例，基于成都玖錦的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA1000A，設(shè)計(jì)了天線近場(chǎng)測(cè)量方案。
1 天線測(cè)量技術(shù)概述
天線作為通訊、雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分，其參數(shù)的測(cè)試和驗(yàn)證是天線設(shè)計(jì)過程中不可或缺的過程。
天線測(cè)試的主要內(nèi)容是測(cè)量天線的電參數(shù)、輻射參數(shù)，以評(píng)價(jià)天線的性能。根據(jù)天線的尺寸、輻射特點(diǎn)，天線測(cè)試方法主要有遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試、近場(chǎng)測(cè)試、緊縮場(chǎng)測(cè)試等。
圖1 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域天線輻射波瓣圖
天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)是最早出現(xiàn)并發(fā)展成熟的。
遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，源天線和待測(cè)天線（AUT）之間的距離R大于2D2/λ ，此時(shí)，從源天線按球面波前到達(dá)AUT的邊緣與AUT中心的相位差小于 π/8，（相當(dāng)于 λ/16 的波程差）。
源天線發(fā)射信號(hào)，通過空間輻射，由AUT接收信號(hào)。AUT通常放置于精密轉(zhuǎn)臺(tái)上。在經(jīng)過相應(yīng)的校準(zhǔn)之后，通過比較發(fā)射和接收信號(hào)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，可通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量并比較源天線輻射的信號(hào)與AUT接收信號(hào)的幅度相位。
源天線和AUT可以根據(jù)需要放置于微波暗室或外場(chǎng)。
遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于：
（1）測(cè)量方法簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀。通過簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)、運(yùn)算即可得到所需測(cè)量結(jié)果；
（2）任何距離測(cè)量的場(chǎng)波瓣都是有效的，僅需要對(duì)場(chǎng)強(qiáng)按1/R進(jìn)行簡(jiǎn)單的變換；
（3）測(cè)量結(jié)果對(duì)于天線的相位中心的位置變化不太敏感，因而旋轉(zhuǎn)待測(cè)天線并不會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差；
（4）待測(cè)天線與源天線之間的耦合和多次反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。
IEEE 標(biāo)準(zhǔn) IEEE-Std-149-1979 規(guī)定了天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的場(chǎng)地和測(cè)量設(shè)置。
遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)雖然最早成熟，但是由于其對(duì)大測(cè)試場(chǎng)地和電磁環(huán)境的特殊要求，測(cè)試非常不方便，人們一方面用緊縮場(chǎng)產(chǎn)生平面波來模擬無線長(zhǎng)度的場(chǎng)地，另一方面則是用近場(chǎng)測(cè)試代替遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。
近場(chǎng)測(cè)量的原理是在一個(gè)面上采集待測(cè)天線近場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后通過近遠(yuǎn)場(chǎng)變換算法，得到待測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性。根據(jù)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(cè)量使用最為普遍。近場(chǎng)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)需要包含幅度相位信息，儀器設(shè)備主要是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，或測(cè)量接收機(jī)、信號(hào)源等組成。
平面近場(chǎng)掃描測(cè)試天線（探頭）在直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)平面做位移，測(cè)量近場(chǎng)幅相分布，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行外推計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)天線方向圖、增益等參數(shù)。探頭天線位于AUT的輻射近場(chǎng)，掃描平面距離AUT面大約幾個(gè)波長(zhǎng)。
圖2 直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)平面掃描
近場(chǎng)掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：
(1) 理論嚴(yán)格:包含探頭特性的全部數(shù)據(jù)都被表示為麥克斯韋方程精確解的線性組合,而未引入小角度,標(biāo)量繞射等近似解。
(2) 精度高:消除了遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的近距效應(yīng),各種誤差源可以檢測(cè)并補(bǔ)償,信噪比高,重復(fù)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:通過重建口徑場(chǎng),可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量難以發(fā)現(xiàn)的故障。對(duì)相控陣天線，通過診斷測(cè)試對(duì)AUT口徑面存在的失效、超差、誤碼等進(jìn)行識(shí)別、標(biāo)定，為更換器件修正通道誤差提供依據(jù)。
近場(chǎng)測(cè)量中，不準(zhǔn)確的探頭定位、反射、電纜移動(dòng)、接收機(jī)非線性、探頭校準(zhǔn)誤差、有限的掃描域等因素影響測(cè)量的精度。因此，從技術(shù)的角度，近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的復(fù)雜程度高，對(duì)掃描架精度，儀器的穩(wěn)定性有較高的要求。
2 天線近場(chǎng)測(cè)試方案
天線近區(qū)場(chǎng)測(cè)量的基本項(xiàng)目與功能如下：
（1） 無探頭修正近遠(yuǎn)場(chǎng)交換
（2） 有探頭修正近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換
（3） 近場(chǎng)口徑變換、診斷
（4） 增益計(jì)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(jù)測(cè)量頻段和實(shí)際需求的不同，近場(chǎng)測(cè)試分為非變頻的直接測(cè)量和變頻測(cè)量?jī)煞N方法。非變頻測(cè)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(cè)試，主要適用于頻率相對(duì)比較低，傳輸線損耗比較小的應(yīng)用。如C波段、S波段。而在高頻段，尤其在18GHz以上測(cè)量傳輸線的損耗大，在掃描過程中線纜的相位波動(dòng)明顯。此時(shí)天線接收的信號(hào)一般需要先變換到中頻，再由傳輸?shù)绞噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量處理，避免了高頻段長(zhǎng)距離傳輸帶來的損耗，以及在掃描過程中的相位波動(dòng)。
2.1 直接測(cè)量方案
直接測(cè)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(cè)試探頭、待測(cè)天線支架、主控PC、掃描控制器以及微波暗室組成。將待測(cè)天線AUT作為發(fā)射端，測(cè)試探頭作為接收端（可根據(jù)實(shí)際情況變換）。VNA1000A的一個(gè)端口發(fā)射信號(hào)，另一端口作為接收端口。在各掃描點(diǎn)測(cè)量接收信號(hào)b和發(fā)射信號(hào)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(hào)放大，在接收天線后采用低噪聲放大器提高系統(tǒng)靈敏度。
通過自動(dòng)測(cè)試軟件控制掃描控制器、探頭極化方式、儀器狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果采集、計(jì)算和輸出結(jié)果等。
圖3近區(qū)場(chǎng)測(cè)量的非變頻方案
2.2 變頻測(cè)量方案
變頻測(cè)量系統(tǒng)由成都玖錦四端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA1000A、各頻段測(cè)量波導(dǎo)探頭、混頻器、定向耦合器、功率放大器、功率分配器、主控計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的測(cè)控軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。如圖4所示。
圖4 近區(qū)場(chǎng)測(cè)量的變頻方案
將待測(cè)天線作為發(fā)射端，而探頭作為接收端（注：可以根據(jù)具體情況進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換）。在發(fā)射端，由VNA1000A產(chǎn)生信號(hào)（如需要可增加功率放大器，將測(cè)試頻段的輸出功率放大到所需的電平）通過定向耦合器耦合部分功率作為參考信號(hào)，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(hào)通過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(shè)定接收機(jī)的頻率至中頻。
本振信號(hào)由VNA1000A網(wǎng)絡(luò)分析儀第二個(gè)獨(dú)立的源產(chǎn)生，經(jīng)過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(hào)。
接收端通常由波導(dǎo)探頭作為接收天線，通過混頻器將接收信號(hào)變換為中頻信號(hào)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(hào)和接收信號(hào)的幅度和相位，通過對(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)從而得到天線近區(qū)場(chǎng)的幅度和相位。
VNA1000A的工作可以設(shè)定為掃頻、點(diǎn)頻、步進(jìn)掃頻、列表模式，可以快速測(cè)試多頻點(diǎn)的多通道的數(shù)據(jù)。與機(jī)械掃描方式相配合，可以完成近區(qū)場(chǎng)的完整的掃描測(cè)試。
3 天線測(cè)量處理軟件
軟件主要負(fù)責(zé)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的各種儀表設(shè)備的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰軸的起止角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度；控制待測(cè)天線狀態(tài)（極化方向），對(duì)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(cè)試模式（點(diǎn)頻或掃頻模式下的測(cè)試頻率、信號(hào)源功率等）、自動(dòng)讀取方向圖的電參數(shù)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(yuǎn)場(chǎng)推算；輸出的方向圖等結(jié)果，顯示、打印、繪圖輸出。
圖 5 天線方向圖（極坐標(biāo)、直角坐標(biāo)）
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(shù)據(jù)曲線
4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
某天線廠家實(shí)際應(yīng)用測(cè)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(jī)底噪在-120dB左右，性能良好，滿足測(cè)試需求，尤其是相位穩(wěn)定度，在對(duì)比測(cè)試中一直優(yōu)于某國際品牌。測(cè)試對(duì)比結(jié)果見下圖:
圖9 近場(chǎng)數(shù)據(jù)曲線
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(cè)試動(dòng)態(tài)范圍、分析帶寬、相位噪聲、幅度精度和測(cè)試速度；該設(shè)備提供單端口、響應(yīng)隔離、增強(qiáng)型響應(yīng)、全雙端口等多種校準(zhǔn)方式，內(nèi)設(shè)對(duì)數(shù)幅度、線性幅度、駐波、相位、群時(shí)延、Smith圓圖、極坐標(biāo)等多種顯示格式，外配USB、LAN、GPIB、VGA等多種標(biāo)準(zhǔn)接口，具有傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的全部測(cè)量功能，能精確測(cè)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(nèi)部相位相參信號(hào)源，八個(gè)真正并行測(cè)量的接收機(jī)：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組合了四個(gè)內(nèi)置的相位相參信號(hào)源及八個(gè)真正并行測(cè)量的接收機(jī)，可以提供高達(dá)50GHz的完美四端口解決方案。一次連接可完成幾乎所有的線性測(cè)試和非線性測(cè)試，為進(jìn)行廣泛的測(cè)量提供了強(qiáng)大的硬件支撐。
02 高動(dòng)態(tài)范圍：130dB（典型值）,跡線噪聲優(yōu)于0.001dB,測(cè)量精度高：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用混頻接收的設(shè)計(jì)理念，有效的擴(kuò)展了整機(jī)的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，以滿足您對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試需求；優(yōu)異的跡線噪聲指標(biāo)極大地提高了整機(jī)的測(cè)試精度，可滿足用戶精確測(cè)量的需要，特別有助于小插損器件的精確測(cè)量。
03 校準(zhǔn)類型靈活可選，兼容多種校準(zhǔn)件：
VNA1000A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可使用機(jī)械校準(zhǔn)件進(jìn)行直通響應(yīng)校準(zhǔn)、直通響應(yīng)與隔離校準(zhǔn)、單端口校準(zhǔn)、增強(qiáng)型響應(yīng)校準(zhǔn)、全雙端口TOSM校準(zhǔn)、TRL校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)類型，可根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要選擇N型、同軸3.5mm.2.4mm等多種校準(zhǔn)件，方便不同接口類型器件的測(cè)試。
04 支持多窗口、多通道測(cè)量，快速執(zhí)行復(fù)雜測(cè)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(cè)量窗口，每個(gè)窗口最多可同時(shí)顯示20條測(cè)試軌跡，具有對(duì)數(shù)幅度、線性幅度、駐波、Smith圖等多種顯示格式，使觀測(cè)結(jié)果更加直觀，用戶使用方便。
05 外設(shè)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(jì)算機(jī)模塊和Windows操作系統(tǒng)組成的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀器和個(gè)人計(jì)算機(jī)的完美結(jié)合。用戶可以利用豐富的I/O接口（包括GPIB、USB和LAN等）來完成數(shù)據(jù)通訊。12.1英寸1024X768高分辨率多點(diǎn)觸控顯示屏，人性化用戶界面簡(jiǎn)潔直觀，便于操作，可提高測(cè)試效率。
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