【導讀】在(zai)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)中(zhong)
，對(dui)其(qi)參(can)數(shu)的(de)測(ce)試(shi)和(he)驗(yan)證(zheng)是(shi)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)的(de)過(guo)程(cheng)。而(er)近(jin)場(chang)測(ce)量(liang)的(de)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)需(xu)要(yao)包(bao)含(han)幅(fu)度(du)相(xiang)位(wei)信(xin)息(xi)，矢(shi)量(liang)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)則(ze)是(shi)主(zhu)要(yao)測(ce)試(shi)儀(yi)器(qi)設(she)備(bei)。

天線近場測試

在(zai)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)中(zhong)，對(dui)其(qi)參(can)數(shu)的(de)測(ce)試(shi)和(he)驗(yan)證(zheng)是(shi)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)的(de)過(guo)程(cheng)。而(er)近(jin)場(chang)測(ce)量(liang)的(de)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)需(xu)要(yao)包(bao)含(han)幅(fu)度(du)相(xiang)位(wei)信(xin)息(xi)，矢(shi)量(liang)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)則(ze)是(shi)主(zhu)要(yao)測(ce)試(shi)儀(yi)器(qi)設(she)備(bei)。

該案例，基於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 近場和遠場區域天線輻射波瓣圖

天線遠場測試技術是最早出現並發展成熟的。

遠場測量時
，源天線和待測天線（AUT）之間的距離R大於2D²/λ ，此時，從源天線按球麵波前到達AUT的邊緣與AUT中心的相位差小於 π/8，（相當於 λ/16 的波程差）。

源天線發射信號
，通過空間輻射，由AUT接收信號。AUT通常放置於精密轉台上。在經過相應的校準之後，通過比較發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並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可以根據需要放置於微波暗室或外場。

遠場測量的優點在於：

（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）測量結果對於天線的相位中心的位置變化不太敏感，因而旋轉待測天線並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 規定了天線遠場測量的場地和測量設置。

遠(yuan)場(chang)測(ce)試(shi)技(ji)術(shu)雖(sui)然(ran)最(zui)早(zao)成(cheng)熟(shu)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)其(qi)對(dui)大(da)測(ce)試(shi)場(chang)地(di)和(he)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing)的(de)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)，測(ce)試(shi)非(fei)常(chang)不(bu)方(fang)便(bian)，人(ren)們(men)一(yi)方(fang)麵(mian)用(yong)緊(jin)縮(suo)場(chang)產(chan)生(sheng)平(ping)麵(mian)波(bo)來(lai)模(mo)擬(ni)無(wu)線(xian)長(chang)度(du)的(de)場(chang)地(di)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)則(ze)是(shi)用(yong)近(jin)場(chang)測(ce)試(shi)代(dai)替(ti)遠(yuan)場(chang)測(ce)試(shi)。

近場測量的原理是在一個麵上采集待測天線近場數據，然後通過近遠場變換算法
，得到待測天線遠場輻射特性。根據取樣麵的形式,可分為平麵掃描、極平麵掃描、柱zhu麵mian掃sao描miao和he球qiu麵mian掃sao描miao技ji術shu，平ping麵mian近jin場chang測ce量liang使shi用yong最zui為wei普pu遍bian。近jin場chang測ce量liang的de原yuan始shi數shu據ju需xu要yao包bao含han幅fu度du相xiang位wei信xin息xi，儀yi器qi設she備bei主zhu要yao是shi矢shi量liang網wang絡luo分fen析xi儀yi
，或huo測ce量liang接jie收shou機ji、信號源等組成。

平麵近場掃描測試天線（探頭）在直角坐標或極坐標平麵做位移，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。探頭天線位於AUT的輻射近場，掃描平麵距離AUT麵大約幾個波長。

圖2 直角坐標、極坐標平麵掃描

 近場掃描技術的優點如下： 

(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並補償,信噪比高,重複性好。

(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,可以發現常規遠場測量難以發現的故障。對相控陣天線，通過診斷測試對AUT口徑麵存在的失效
、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(you)限(xian)的(de)掃(sao)描(miao)域(yu)等(deng)因(yin)素(su)影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)的(de)精(jing)度(du)。因(yin)此(ci)
，從(cong)技(ji)術(shu)的(de)角(jiao)度(du)，近(jin)場(chang)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)的(de)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)高(gao)，對(dui)掃(sao)描(miao)架(jia)精(jing)度(du)，儀(yi)器(qi)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。

2 天線近場測試方案

天線近區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gen據ju測ce量liang頻pin段duan和he實shi際ji需xu求qiu的de不bu同tong
，近jin場chang測ce試shi分fen為wei非fei變bian頻pin的de直zhi接jie測ce量liang和he變bian頻pin測ce量liang兩liang種zhong方fang法fa。非fei變bian頻pin測ce量liang時shi，矢shi量liang網wang絡luo分fen析xi儀yi直zhi接jie在zai射she頻pin微wei波bo的de高gao頻pin上shang進jin行xing收shou發fa測ce試shi，主zhu要yao適shi用yong於yu頻pin率lv相xiang對dui比bi較jiao低di，傳chuan輸shu線xian損sun耗hao比bi較jiao小xiao的de應ying用yong。如ruC波段
、S波段。而在高頻段，尤其在18GHz以(yi)上(shang)測(ce)量(liang)傳(chuan)輸(shu)線(xian)的(de)損(sun)耗(hao)大(da)，在(zai)掃(sao)描(miao)過(guo)程(cheng)中(zhong)線(xian)纜(lan)的(de)相(xiang)位(wei)波(bo)動(dong)明(ming)顯(xian)。此(ci)時(shi)天(tian)線(xian)接(jie)收(shou)的(de)信(xin)號(hao)一(yi)般(ban)需(xu)要(yao)先(xian)變(bian)換(huan)到(dao)中(zhong)頻(pin)
，再(zai)由(you)傳(chuan)輸(shu)到(dao)矢(shi)量(liang)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)處(chu)理(li)，避(bi)免(mian)了(le)高(gao)頻(pin)段(duan)長(chang)距(ju)離(li)傳(chuan)輸(shu)帶(dai)來(lai)的(de)損(sun)耗(hao)，以(yi)及(ji)在(zai)掃(sao)描(miao)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)相(xiang)位(wei)波(bo)動(dong)。

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、掃描控製器以及微波暗室組成。將待測天線AUT作為發射端，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射信號放大，在接收天線後采用低噪聲放大器提高係統靈敏度。

通過自動測試軟件控製掃描控製器、探頭極化方式、儀器狀態和測量結果采集、計算和輸出結果等。

圖3近區場測量的非變頻方案

2.2 變頻測量方案

變頻測量係統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 近區場測量的變頻方案

將待測天線作為發射端

，而探頭作為接收端（注：可以根據具體情況進行收發轉換）。在發射端，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
，通過對係統的校準從而得到天線近區場的幅度和相位。

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製
、數據采集、處理等工作。

軟件功能包括但不限於控製掃描架；控製轉台的方位、俯仰軸的起止角度和轉動速度；控製待測天線狀態（極化方向），對相控陣而言，控製TR單元的狀態
；控製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、前後比

、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
，尤其是相位穩定度，在對比測試中一直優於某國際品牌。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

成都玖錦自主研發的VNA1000A是一款高性能的矢量網絡分析儀，具有優良的測試動態範圍


、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，八個真正並行測量的接收機：

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並行測量的接收機，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 高動態範圍：130dB（典型值）,跡線噪聲優於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範圍
，以滿足您對大動態範圍的測試需求
；優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，特別有助於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，快速執行複雜測試方案：

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操作係統組成的軟硬件平台，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，人性化用戶界麵簡潔直觀，便於操作，可提高測試效率。

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