成都电子近场扫描应用 基于矢量网络分析仪的天线近场测试方案

基于矢量网络分析仪的天线近场测试方案

天线近场测试

在天线设计中，对其参数的测试和验证是不可或缺的过程。而近场测量的原始数据需要包含幅度相位信息，矢量网络分析仪则是主要测试仪器设备。

该案例，基于成都玖锦的矢量网络分析仪VNA1000A，设计了天线近场测量方案。

1 ►天线测量技术概述

天线作为通讯、雷达等应用领域的重要组成部分，其参数的测试和验证是天线设计过程中不可或缺的过程。

天线测试的主要内容是测量天线的电参数、辐射参数，以评价天线的性能。根据天线的尺寸、辐射特点，天线测试方法主要有远场测试、近场测试、紧缩场测试等。

天线远场测试技术是最早出现并发展成熟的。

远场测量时，源天线和待测天线（AUT）之间的距离R大于2D² /λ ，此时，从源天线按球面波前到达AUT的边缘与AUT中心的相位差小于 π/8，（相当于 λ/16 的波程差）。

源天线发射信号，通过空间辐射，由AUT接收信号。AUT通常放置于精密转台上。在经过相应的校准之后，通过比较发射和接收信号的电平，就得到AUT的增益和辐射波瓣图。

在需要相位信息的场合，可通过矢量网络分析仪测量并比较源天线辐射的信号与AUT接收信号的幅度相位。

源天线和AUT可以根据需要放置于微波暗室或外场。

远场测量的优点在于 ：

（1）测量方法简单，结果直观。通过简单的校准、运算即可得到所需测量结果；

（2）任何距离测量的场波瓣都是有效的，仅需要对场强按1/R进行简单的变换；

（3）测量结果对于天线的相位中心的位置变化不太敏感，因而旋转待测天线并不会导致明显的测量误差；

（4）待测天线与源天线之间的耦合和多次反射对测量结果的影响可以忽略。

IEEE 标准 IEEE-Std-149-1979 规定了天线远场测量的场地和测量设置。

远场测试技术虽然最早成熟，但是由于其对大测试场地和电磁环境的特殊要求，测试非常不方便，人们一方面用紧缩场产生平面波来模拟无线长度的场地，另一方面则是用近场测试代替远场测试。

近场测量的原理是在一个面上采集待测天线近场数据，然后通过近远场变换算法，得到待测天线远场辐射特性。根据取样面的形式,可分为平面扫描、极平面扫描、柱面扫描和球面扫描技术，平面近场测量使用最为普遍。近场测量的原始数据需要包含幅度相位信息，仪器设备主要是矢量网络分析仪，或测量接收机、信号源等组成。

平面近场扫描测试天线（探头）在直角坐标或极坐标平面做位移，测量近场幅相分布，以此为基础进行外推计算远场天线方向图、增益等参数。探头天线位于AUT的辐射近场，扫描平面距离AUT面大约几个波长。

图2 直角坐标、极坐标平面扫描

近场扫描技术的优点如下：

(1) 理论严格:包含探头特性的全部数据都被表示为麦克斯韦方程精确解的线性组合,而未引入小角度,标量绕射等近似解。

(2) 精度高:消除了远场测量的近距效应,各种误差源可以检测并补偿,信噪比高,重复性好。

(3) 信息量大:一次扫描可获得整个空间全部信息,如幅度、相位、极化、三维方向图等。

(4) 诊断功能:通过重建口径场,可以发现常规远场测量难以发现的故障。对相控阵天线，通过诊断测试对AUT口径面存在的失效、超差、误码等进行识别、标定，为更换器件修正通道误差提供依据。

近场测量中，不准确的探头定位、反射、电缆移动、接收机非线性、探头校准误差、有限的扫描域等因素影响测量的精度。因此，从技术的角度，近场测量技术的复杂程度高，对扫描架精度，仪器的稳定性有较高的要求。

2 ►天线近场测试方案

天线近区场测量的基本项目与功能如下：

（1） 无探头修正近远场交换

（2） 有探头修正近远场转换

（3） 近场口径变换、诊断

（4） 增益计算

（5） 副瓣分析

（6） 极化分析

（7） 和差方向图

（8） 方向性分析

根据测量频段和实际需求的不同，近场测试分为非变频的直接测量和变频测量两种方法。非变频测量时，矢量网络分析仪直接在射频微波的高频上进行收发测试，主要适用于频率相对比较低，传输线损耗比较小的应用。如C波段、S波段。而在高频段，尤其在18GHz以上测量传输线的损耗大，在扫描过程中线缆的相位波动明显。此时天线接收的信号一般需要先变换到中频，再由传输到矢量网络分析仪进行测量处理，避免了高频段长距离传输带来的损耗，以及在扫描过程中的相位波动。

2.1直接测量方案

直接测量方案由成都玖锦的矢量网络分析仪VNA1000A、扫描支架、近场测试探头、待测天线支架、主控PC、扫描控制器以及微波暗室组成。将待测天线AUT作为发射端，测试探头作为接收端（可根据实际情况变换）。VNA1000A的一个端口发射信号，另一端口作为接收端口。在各扫描点测量接收信号b和发射信号a的比值（幅度，相位）。在必要的情况下，可以用功率放大器将发射信号放大，在接收天线后采用低噪声放大器提高系统灵敏度。

通过自动测试软件控制扫描控制器、探头极化方式、仪器状态和测量结果采集、计算和输出结果等。

2.2变频测量方案

变频测量系统由成都玖锦四端口的矢量网络分析仪VNA1000A、各频段测量波导探头、混频器、定向耦合器、功率放大器、功率分配器、主控计算机以及相应的测控软件、数据处理软件等组成。如图4所示。

将待测天线作为发射端，而探头作为接收端（注：可以根据具体情况进行收发转换）。在发射端，由VNA1000A产生信号（如需要可增加功率放大器，将测试频段的输出功率放大到所需的电平）通过定向耦合器耦合部分功率作为参考信号，输入至网络分析仪，在高频段（如：X波段以上）为了减少路径损耗和路径相位的变化，参考信号通过混频变化为较低的频率（中频）输入至网络分析仪。网络分析仪的接收通道可以自由设定接收机的频率至中频。

本振信号由VNA1000A网络分析仪第二个独立的源产生，经过功率分配器等分两路，放大到足够的电平，供参考支路和接收支路混频器作为本振信号。

接收端通常由波导探头作为接收天线，通过混频器将接收信号变换为中频信号送至VNA1000A网络分析仪的接收通道。

网络分析仪比较参考信号和接收信号的幅度和相位，通过对系统的校准从而得到天线近区场的幅度和相位。

VNA1000A的工作可以设定为扫频、点频、步进扫频、列表模式，可以快速测试多频点的多通道的数据。与机械扫描方式相配合，可以完成近区场的完整的扫描测试。

3 ►天线测量处理软件

软件主要负责近场和远场测量的各种仪表设备的自动控制、数据采集、处理等工作。

软件功能包括但不限于控制扫描架；控制转台的方位、俯仰轴的起止角度和转动速度；控制待测天线状态（极化方向），对相控阵而言，控制TR单元的状态；控制矢量网络分析仪进行近场信息采集、自动选择测试模式（点频或扫频模式下的测试频率、信号源功率等）、自动读取方向图的电参数特性（如3dB波束宽度、副瓣电平、前后比、电下倾角等）；进行近场-远场推算；输出的方向图等结果，显示、打印、绘图输出。

图 5 天线方向图（极坐标、直角坐标）

4 ►实测数据

某天线厂家实际应用测试情况反馈如下：成都玖锦的矢量网络分析仪VNA1000A接收机底噪在-120dB左右，性能良好，满足测试需求，尤其是相位稳定度，在对比测试中一直优于某国际品牌。测试对比结果见下图:

5 ►矢量网络分析仪介绍

成都玖锦自主研发的VNA1000A是一款高性能的矢量网络分析仪，具有优良的测试动态范围、分析带宽、相位噪声、幅度精度和测试速度；该设备提供单端口、响应隔离、增强型响应、全双端口等多种校准方式，内设对数幅度、线性幅度、驻波、相位、群时延、Smith圆图、极坐标等多种显示格式，外配USB、LAN、GPIB、VGA等多种标准接口，具有传统矢量网络分析仪的全部测量功能，能精确測量微波网络的幅频特性、相频特性和群时延特性。

VNA1000A的主要特点如下：

01四个内部相位相参信号源，八个真正并行测量的接收机：

VNA1000A矢量网络分析仪组合了四个内置的相位相参信号源及八个真正并行测量的接收机，可以提供高达50GHz的完美四端口解决方案。一次连接可完成几乎所有的线性测试和非线性测试，为进行广泛的测量提供了强大的硬件支撑。

02高动态范围：130dB（典型值）,迹线噪声优于0.001dB,测量精度高：

VNA1000A矢量网络分析仪采用混频接收的设计理念，有效的扩展了整机的测试动态范围，以满足您对大动态范围的测试需求；优异的迹线噪声指标极大地提高了整机的测试精度，可满足用户精确測量的需要，特别有助于小插损器件的精确测量。

03校准类型灵活可选，兼容多种校准件：

VNA1000A矢量网络分析仪可使用机械校准件进行直通响应校准、直通响应与隔离校准、单端口校准、增强型响应校准、全双端口TOSM校准、TRL校准等多种校准类型，可根据实际测试需要选择N型、同轴3.5mm.2.4mm等多种校准件，方便不同接口类型器件的测试。

04支持多窗口、多通道测量，快速执行复杂测试方案：

VNA1000A矢量网络分析仪具有多通道和多窗口显示功能，最多支持64个通道，最多可同时显示32个测量窗口，每个窗口最多可同时显示20条測试轨迹，具有对数幅度、线性幅度、驻波、Smith图等多种显示格式，使观测结果更加直观，用户使用方便。

05 外设接口丰富，灵活实用：

VNA1000A矢量网络分析仪采用兼容PC的嵌入式计算机模块和Windows操作系统组成的软硬件平台，实现了测试仪器和个人计算机的完美结合。用户可以利用丰富的I/O接口（包括GPIB、USB和LAN等）来完成数据通讯。12.1英寸1024X768高分辨率多点触控显示屏，人性化用户界面简洁直观，便于操作，可提高测试效率。

以上内容来源于高速射频百花潭，侵删。

基于近场测试的自参考算法

随着技术发展，天线的集成度越来越高，很多天线直接将信道集成一起，成为不可以拆离的整体。必须采用一定的算法才能实现对各个通道的幅度和相位信息准确有效的检测，而现有常见的算法(包括近场校准、FFT算法等)都需要获得相位信息[1-6]，那么被测天线上就需要预留参考通道，以提供相位参考。这对天线的设计生产提出了额外要求，同时对于已经装机的天线，特别是共形天线[7-14]，无法提供对外接口用作相位参考。这使得传统的近场测量方案不再适用，本文中提出一种新的近场算法，用于解决高集成天线无相位参考通道的问题，以实现上述天线的测量。

1 基本理论

近场测量的理论基础是电磁波传播中的惠更斯-基尔霍夫原理，基本方法是：首先测量一个包围被测天线的近场闭合曲面上切线方向场的分布，然后根据电磁波传播理论推导该天线远场位置场分布，最后推导天线口面场分布。而天线口面场分布就是相控阵单元的幅相特性。

在笛卡尔坐标系中，如图1所示，将待测天线口径面置于xoy平面上，在z=d1设置一个扫描平面，且扫描平面上的切向场分布为Et(x，y，d1)，则天线的远场方向图函数在球坐标系下可以表示为[15-16]：

由此可知，在近场扫描测试中，对于天线方向图的重构，需要得到采样点的相位才能实现。因此在对于无法参考相位的天线的近场测试中，采用基于自参考的近场算法。

假设近场探头的扫描曲面为一个平面β，平面足够大，使得AUT辐射的电磁波未穿过扫描平面的部分可以被忽略。测量时信号源发出的信号，在每个测量点进行数据采集时，开关做一次切换，保证测试探头和参考探头都做一次固定时间长度的信号发射，并且开关切换时长固定[17-20]。幅相接收机收到信号后，以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算幅度相位，再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算幅度相位。其时序构成如图2所示。

设测试探头与被测天线的空间距离为Rn，n=1，2，3，…，N。参考探头与被测天线的空间距离为R0，信号角频率为ω0，信号发射起始时刻为tn，测试信号起始时刻与参考信号起始时刻时间间隔为T1，k为ω0频率下的空间波数，An为测试探头位置为n时测试探头发射到被测天线的幅度信息，Bn为测试探头位置为n时参考探头发射到被测天线的幅度信息，根据图1所示时序，测试探头到达到天线的信号为：

由式(6)可以看出，由于ω1和T1为常数，最后得到的幅度相位信息只与测试探头的位置相关，即得到参考相位，从而还原出天线方向图。

2 实验验证

2.1 实验系统搭建

为了验证本测试方法的正确性，本文进行了一次验证实验，以一个实际天线为例，采用自参考算法近场扫描的方式进行测试，并将测试结果与NSI近场测试系统测得的结果进行比较验证，搭建如图3所示测试系统。

以控制器为控制核心，控制近场扫描架对被测天线进行近场测试。扫描架每移动一个位置，控制器将会对幅相接收机、单刀双掷开关进行控制，通过PC记录下在该位置参考探头和测量探头接收到的幅度及相位值。

2.2 实验结果分析

首先，控制近场扫描架，使测量探头对齐辅助天线(AUT)中心，在该位置下进行静态采样，以验证自参考算法公式（3）的正确性。对PC记录下的3组参考探头和测量探头的测试数据进行分析，每组数据为1 000个，T1分别取100 μs、1 ms和10 ms，将测量探头测试数据与参考探头测试数据相除，得到结果如图4所示。

从图4中可知，由于采用时钟存在一定的误差，随着采样间隔的拉长，得到数据的误差会逐渐变大，具体误差结果见表1。

将T1设定为100 μs，把测试得到数据带入自参考近场算法进行处理，得到天线的远场三维方向图如图5所示。

将采用NSI近场测试系统得到的远场二维方向图与采用自参考算法得到的远场二维方向图进行比较，其比较结果如图6所示。

由测试结果可以看出，自参考测试算法与NSI近场测试系统的测试结果有较高的重合度，其具体误差比较如表2所示。

3 结论

本文中的自参考近场算法解决了传统近场测量中需要独立参考通道的问题，因为无需额外参考通道，使得测试设备和被测设备可以完全独立设计，因此本算法可以应用于常规天线、含有变频通道的天线和数字化天线的近场测量领域，且特别适用于设备的现场检测应用。

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作者信息:

杜 艳，杨顺平

(中国西南电子技术研究所，四川 成都610036)

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