矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域功能在天線測(cè)量中的應(yīng)用

前言

對(duì)于一個(gè)新天線，我們通常會(huì)關(guān)心它的駐波系數(shù)、增益和方向圖三個(gè)主要性能指標(biāo)。在合適的微波暗室里，這三個(gè)指標(biāo)用一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和輔助的天線轉(zhuǎn)臺(tái)可以精確的測(cè)量，但是對(duì)于沒有波暗室，或者頻率較低而不適合在微波暗室里測(cè)試的天線，在有地面反射或附近有反射物的條件下測(cè)試，就會(huì)有測(cè)試誤差，這是天線工程師比較頭疼的事，以前沒有很好的解決方法?，F(xiàn)在有一種簡(jiǎn)單又徹底的方案, 我們只需在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中加入時(shí)域分析功能就可以得到精確的結(jié)果，下面我們就進(jìn)行分析和介紹?！　?/P>

一． 頻域時(shí)域的傅立葉變換和FFT

我們知道，任一個(gè)信號(hào)既可以用頻域特征參數(shù)描述，也可以用時(shí)域特征參數(shù)描述，并且兩種描述可以通過傅氏變換和傅氏逆變換聯(lián)系起來。

X(f)= (1)

X(t)= (2)

在網(wǎng)絡(luò)分析儀中首先是把信號(hào)的波形取樣，再通過A/D變換、DSP微處理器接收取樣波形，利用FFT在一個(gè)窗口計(jì)算處理波形。理論上

最小分辨距離= (3)

最小分辨時(shí)間= (4)

最大測(cè)試距離=最小分辨距離x采樣點(diǎn)數(shù)量 (5)

f1為起始頻率，f2為終止頻率。

二． 天線的駐波系數(shù)測(cè)量和故障點(diǎn)定位

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)量天線的駐波系數(shù)時(shí)，一般情況下在天線主波束方向無遮擋，其它方向離反射點(diǎn)大于三個(gè)波長(zhǎng)，測(cè)量的結(jié)果就幾乎不受環(huán)境的影響，這個(gè)測(cè)試條件容易滿足。但是，如果有時(shí)域功能，那么在調(diào)試天線的駐波系數(shù)時(shí)，在檢查天線系統(tǒng)有無故障時(shí)，就更直觀、更快捷。舉一例：設(shè)計(jì)一副串饋共軸天線陣，頻帶為：880MHZ-930MHZ，要求駐波系數(shù)（SWR）≦1.5。如圖1

圖1 GSM基站天線

這是一副由4節(jié)天線組成的天線陣，1-5各節(jié)點(diǎn)的反射都要影響端口的駐波系數(shù)，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能看端口的駐波系數(shù)，如果駐波系數(shù)較差，不知道那個(gè)節(jié)點(diǎn)影響最大，只能逐點(diǎn)猜測(cè)調(diào)整。假設(shè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀帶時(shí)域功能，就能看出每一節(jié)點(diǎn)的反射大小，知道那個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)駐波系數(shù)的影響最大，就先調(diào)哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣有的放矢，研制效率就高。同樣在現(xiàn)場(chǎng)天線系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中，如果遇到有天線、饋線、分支器和多個(gè)連接頭的系統(tǒng)，用帶時(shí)域功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測(cè)，一眼就明了那個(gè)地方連接得好，哪個(gè)地方還沒連接好。圖2是用帶時(shí)域功能的矢網(wǎng)對(duì)上面GSM天線的測(cè)試實(shí)例，左圖是測(cè)試的回波損耗與位置的關(guān)系圖，右圖是回波損耗與頻率的關(guān)系圖，可以看出距端口1130mm的地方是最大反射點(diǎn)，如果對(duì)右圖的駐波還不滿意，我們看左圖，就清楚應(yīng)繼續(xù)調(diào)整天線的哪個(gè)位置。

圖2 帶時(shí)域功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線駐波的應(yīng)用

三． 天線的增益和方向圖測(cè)量

在天線外場(chǎng)測(cè)試中，地面或周圍環(huán)境的反射要對(duì)增益和方向圖的測(cè)量結(jié)果帶來或大或小的誤差。

1． 測(cè)量誤差分析

圖3 天線測(cè)試示意圖

如圖3，兩相距D米，高度為H米的收發(fā)天線架設(shè)在反射系數(shù)為r的地面上。因天線的方向性，假設(shè)發(fā)射天線輻射到O點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是最大值的倍，接收天線接收到O點(diǎn)反射波場(chǎng)強(qiáng)是其最大值的倍。接收天線的接收?qǐng)鰪?qiáng)由直射波場(chǎng)強(qiáng)E1和反射波場(chǎng)強(qiáng)E2構(gòu)成。

兩波的路程差為:

(7)

假設(shè)直射波的場(chǎng)強(qiáng)E1歸一化為1，則

(8)

合成波的場(chǎng)強(qiáng)E為:

(9)

A．增益的測(cè)試誤差分析

天線的增益測(cè)量一般采用比較法，因?yàn)楸粶y(cè)天線往往與標(biāo)準(zhǔn)天線的形狀不一樣，即使這兩種天線架設(shè)在同一位置，相位中心也不一定重合，假設(shè)被測(cè)天線比標(biāo)準(zhǔn)天線距發(fā)射天線近L米，則兩波的路程差變?yōu)?

(10)

合成波的場(chǎng)強(qiáng)為:

(11)

引起的增益誤差為：

(12)

B．方向圖測(cè)試誤差分析

同樣的道理，天線在旋轉(zhuǎn)過程中，有時(shí)相位中心沒在轉(zhuǎn)軸上，假設(shè)相位中心距轉(zhuǎn)軸的距離為L(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的起始角在收發(fā)天線的連線上。

則兩波的路程差為:

(13)

合成波的場(chǎng)強(qiáng)為:

(14)

圖4 合成波隨天線間距變化關(guān)系 圖5 合成波隨被測(cè)天線旋轉(zhuǎn)變化關(guān)系

圖4中取k1=0.4 k2=0.5 r=0.9 H=3 f=1GHz； 圖5中取k1=0.8 k2=0.9 r=0.9 H=3 D=10 L=0.2 f=1GHz 。如果只有直射波，歸一化場(chǎng)強(qiáng)為1；可看出反射波帶來±0.4倍（±2dB）左右的誤差。誤差可以通過減小地面反射系數(shù)，增加天線架設(shè)高度和提高發(fā)射天線的增益來減小，但很多時(shí)候不容易做到，最徹底的方法是采用時(shí)域技術(shù)去掉反射。

2． 時(shí)域應(yīng)用方法

反射給我們的方向圖測(cè)試結(jié)果造成誤差，我們現(xiàn)在用安立公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B加時(shí)域功能OPTION2把它濾掉，其具體的方法是：

A．根據(jù)天線的架設(shè)情況計(jì)算出反射波與直射波的路程差和時(shí)延大小。比如：當(dāng)D=10m,H=3m時(shí)，反射波與直射波的路程差為1.66m，時(shí)延為5.53E-9秒。

B．首先在頻域內(nèi)測(cè)量，根據(jù)實(shí)際選擇對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍。

在DOMAIN菜單下選擇FREQUENCY SET UP中的RANGE SET UP，用CENTER、SPAN設(shè)置。

C．VNA通過傅立葉反變換計(jì)算到時(shí)域。

按鍵APPL，DOMAIN將DISPLAY中TIME/DISTANCE選擇為TIME，再選擇TIME BAND。

D． 在時(shí)域中設(shè)置"門"，選擇需要通過或需要去除的響應(yīng)。

通過GATE SETUP設(shè)置CENTER 和SPAN，去除延時(shí)的反射波。

E． 設(shè)置好后，讓測(cè)試系統(tǒng)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，掃描記錄一次數(shù)據(jù)。

同時(shí)測(cè)得一個(gè)頻帶內(nèi)多頻點(diǎn)方向圖數(shù)組。

除了扣除一些指定的多余信號(hào)響應(yīng)外，我們也可以運(yùn)用ANTI-GATING功能只保留指定信號(hào)以外的的響應(yīng)，其操作方法和GATE基本相同，只需要在GATE中的SPAN選擇負(fù)值即可，這樣就保留主要信號(hào)的響應(yīng)而把其余一些信號(hào)響應(yīng)均去除掉。

四． 總結(jié)

隨著現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，許多以前無法測(cè)試或者無法精確測(cè)試的難題現(xiàn)在逐步的得到解決，上面的儀器功能和測(cè)試方法就是個(gè)例，矢網(wǎng)的時(shí)域功能對(duì)天線測(cè)試是非常實(shí)用的功能，把它介紹出來，供大家參考使用。

參考資料:

1.《天線測(cè)量》林昌祿著

2 MS462X矢網(wǎng)指南(Anritsu)

3. Time Domain for Vector Network Analyzers Application Note (Anritsu)