基于矢量網絡分析儀的天線近場測試方案

在天線設計中，對其參數的測試和驗證是不可或缺的過程。而近場測量的原始數據需要包含幅度相位信息，矢量網絡分析儀則是主要測試儀器設備。

天線近場測試

在天線設計中，對其參數的測試和驗證是不可或缺的過程。而近場測量的原始數據需要包含幅度相位信息，矢量網絡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絡分析儀VNA1000A，設計了天線近場測量方案。

1 天線測量技術概述

天線作為通訊、雷達等應用領域的重要組成部分，其參數的測試和驗證是天線設計過程中不可或缺的過程。

天線測試的主要內容是測量天線的電參數、輻射參數，以評價天線的性能。根據天線的尺寸、輻射特點，天線測試方法主要有遠場測試、近場測試、緊縮場測試等。

圖1 近場和遠場區(qū)域天線輻射波瓣圖

天線遠場測試技術是最早出現并發(fā)展成熟的。

遠場測量時，源天線和待測天線（AUT）之間的距離R大于2D2/λ ，此時，從源天線按球面波前到達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）。

源天線發(fā)射信號，通過空間輻射，由AUT接收信號。AUT通常放置于精密轉臺上。在經過相應的校準之后，通過比較發(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合，可通過矢量網絡分析儀測量并比較源天線輻射的信號與AUT接收信號的幅度相位。

源天線和AUT可以根據需要放置于微波暗室或外場。

遠場測量的優(yōu)點在于：

（1）測量方法簡單，結果直觀。通過簡單的校準、運算即可得到所需測量結果；

（2）任何距離測量的場波瓣都是有效的，僅需要對場強按1/R進行簡單的變換；

（3）測量結果對于天線的相位中心的位置變化不太敏感，因而旋轉待測天線并不會導致明顯的測量誤差；

（4）待測天線與源天線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(guī)定了天線遠場測量的場地和測量設置。

遠場測試技術雖然最早成熟，但是由于其對大測試場地和電磁環(huán)境的特殊要求，測試非常不方便，人們一方面用緊縮場產生平面波來模擬無線長度的場地，另一方面則是用近場測試代替遠場測試。

近場測量的原理是在一個面上采集待測天線近場數據，然后通過近遠場變換算法，得到待測天線遠場輻射特性。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，平面近場測量使用最為普遍。近場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絡分析儀，或測量接收機、信號源等組成。

平面近場掃描測試天線（探頭）在直角坐標或極坐標平面做位移，測量近場幅相分布，以此為基礎進行外推計算遠場天線方向圖、增益等參數。探頭天線位于AUT的輻射近場，掃描平面距離AUT面大約幾個波長。

圖2 直角坐標、極坐標平面掃描

 近場掃描技術的優(yōu)點如下： 

(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,可以發(fā)現常規(guī)遠場測量難以發(fā)現的故障。對相控陣天線，通過診斷測試對AUT口徑面存在的失效、超差、誤碼等進行識別、標定，為更換器件修正通道誤差提供依據。

近場測量中，不準確的探頭定位、反射、電纜移動、接收機非線性、探頭校準誤差、有限的掃描域等因素影響測量的精度。因此，從技術的角度，近場測量技術的復雜程度高，對掃描架精度，儀器的穩(wěn)定性有較高的要求。

2 天線近場測試方案

天線近區(qū)場測量的基本項目與功能如下：

  （1） 無探頭修正近遠場交換

  （2） 有探頭修正近遠場轉換

  （3） 近場口徑變換、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

根據測量頻段和實際需求的不同，近場測試分為非變頻的直接測量和變頻測量兩種方法。非變頻測量時，矢量網絡分析儀直接在射頻微波的高頻上進行收發(fā)測試，主要適用于頻率相對比較低，傳輸線損耗比較小的應用。如C波段、S波段。而在高頻段，尤其在18GHz以上測量傳輸線的損耗大，在掃描過程中線纜的相位波動明顯。此時天線接收的信號一般需要先變換到中頻，再由傳輸到矢量網絡分析儀進行測量處理，避免了高頻段長距離傳輸帶來的損耗，以及在掃描過程中的相位波動。

2.1 直接測量方案

直接測量方案由成都玖錦的矢量網絡分析儀VNA1000A、掃描支架、近場測試探頭、待測天線支架、主控PC、掃描控制器以及微波暗室組成。將待測天線AUT作為發(fā)射端，測試探頭作為接收端（可根據實際情況變換）。VNA1000A的一個端口發(fā)射信號，另一端口作為接收端口。在各掃描點測量接收信號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，在接收天線后采用低噪聲放大器提高系統(tǒng)靈敏度。

通過自動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(qū)場測量的非變頻方案

2.2 變頻測量方案

變頻測量系統(tǒng)由成都玖錦四端口的矢量網絡分析儀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(qū)場測量的變頻方案

將待測天線作為發(fā)射端，而探頭作為接收端（注：可以根據具體情況進行收發(fā)轉換）。在發(fā)射端，由VNA1000A產生信號（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）通過定向耦合器耦合部分功率作為參考信號，輸入至網絡分析儀，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，參考信號通過混頻變化為較低的頻率（中頻）輸入至網絡分析儀。網絡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網絡分析儀第二個獨立的源產生，經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。

接收端通常由波導探頭作為接收天線，通過混頻器將接收信號變換為中頻信號送至VNA1000A網絡分析儀的接收通道。

網絡分析儀比較參考信號和接收信號的幅度和相位，通過對系統(tǒng)的校準從而得到天線近區(qū)場的幅度和相位。

VNA1000A的工作可以設定為掃頻、點頻、步進掃頻、列表模式，可以快速測試多頻點的多通道的數據。與機械掃描方式相配合，可以完成近區(qū)場的完整的掃描測試。

3 天線測量處理軟件

軟件主要負責近場和遠場測量的各種儀表設備的自動控制、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速度；控制待測天線狀態(tài)（極化方向），對相控陣而言，控制TR單元的狀態(tài)；控制矢量網絡分析儀進行近場信息采集、自動選擇測試模式（點頻或掃頻模式下的測試頻率、信號源功率等）、自動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）；進行近場-遠場推算；輸出的方向圖等結果，顯示、打印、繪圖輸出。

圖 5 天線方向圖（極坐標、直角坐標）

圖6 波束比較處理

圖7 場分布、波瓣立體顯示

圖8 近場數據曲線

4 實測數據

某天線廠家實際應用測試情況反饋如下：成都玖錦的矢量網絡分析儀VNA1000A接收機底噪在-120dB左右，性能良好，滿足測試需求，尤其是相位穩(wěn)定度，在對比測試中一直優(yōu)于某國際品牌。測試對比結果見下圖:

圖9 近場數據曲線

5 矢量網絡分析儀介紹

成都玖錦自主研發(fā)的VNA1000A是一款高性能的矢量網絡分析儀，具有優(yōu)良的測試動態(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、線性幅度、駐波、相位、群時延、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(tǒng)矢量網絡分析儀的全部測量功能，能精確測量微波網絡的幅頻特性、相頻特性和群時延特性。

VNA1000A的主要特點如下：

01 四個內部相位相參信號源，八個真正并行測量的接收機：

VNA1000A矢量網絡分析儀組合了四個內置的相位相參信號源及八個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性測試和非線性測試，為進行廣泛的測量提供了強大的硬件支撐。

02 高動態(tài)范圍：130dB（典型值）,跡線噪聲優(yōu)于0.001dB,測量精度高：

VNA1000A矢量網絡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態(tài)范圍，以滿足您對大動態(tài)范圍的測試需求；優(yōu)異的跡線噪聲指標極大地提高了整機的測試精度，可滿足用戶精確測量的需要，特別有助于小插損器件的精確測量。

03 校準類型靈活可選，兼容多種校準件：

VNA1000A矢量網絡分析儀可使用機械校準件進行直通響應校準、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校準等多種校準類型，可根據實際測試需要選擇N型、同軸3.5mm.2.4mm等多種校準件，方便不同接口類型器件的測試。

04 支持多窗口、多通道測量，快速執(zhí)行復雜測試方案：

VNA1000A矢量網絡分析儀具有多通道和多窗口顯示功能，最多支持64個通道，最多可同時顯示32個測量窗口，每個窗口最多可同時顯示20條測試軌跡，具有對數幅度、線性幅度、駐波、Smith圖等多種顯示格式，使觀測結果更加直觀，用戶使用方便。

05 外設接口豐富，靈活實用：

VNA1000A矢量網絡分析儀采用兼容PC的嵌入式計算機模塊和Windows操作系統(tǒng)組成的軟硬件平臺，實現了測試儀器和個人計算機的完美結合。用戶可以利用豐富的I/O接口（包括GPIB、USB和LAN等）來完成數據通訊。12.1英寸1024X768高分辨率多點觸控顯示屏，人性化用戶界面簡潔直觀，便于操作，可提高測試效率。