宋 云

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

在近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)的條件下，通過控制發(fā)射系統(tǒng)、射頻接收系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)或掃描架，天線測(cè)試系統(tǒng)采集被測(cè)天線在指定工作頻率接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到天線的方向圖等天線參數(shù)信息。天線測(cè)試系統(tǒng)的工作頻率不同，對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的要求是提供頻率穩(wěn)定、有一定功率的信號(hào)。接收機(jī)可以采用具有很高動(dòng)態(tài)范圍的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜分析儀。轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)要求提供穩(wěn)定性和重復(fù)性好的水平和垂直方向控制能力。常常根據(jù)被測(cè)天線和測(cè)試場(chǎng)地的特點(diǎn)，對(duì)發(fā)射系統(tǒng)和射頻接收系統(tǒng)提出一定的技術(shù)指標(biāo)要求，以滿足天線測(cè)試的要求。同時(shí)，由于天線測(cè)試的影響因素較多，系統(tǒng)的綜合檢測(cè)也非常重要。因此，天線測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)射頻發(fā)射系統(tǒng)和射頻接收系統(tǒng)的技術(shù)條件進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 天線測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

天線測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)受到接收和發(fā)射子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)、測(cè)量頻段、測(cè)量模式以及測(cè)量軟件的綜合影響。本文討論的某天線測(cè)試系統(tǒng)，其連接圖見圖1。測(cè)試場(chǎng)地為戶外的滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件的場(chǎng)所，且測(cè)試場(chǎng)地的測(cè)試條件已經(jīng)得到驗(yàn)證。

系統(tǒng)的性能指標(biāo)應(yīng)考慮如下:

(1）系統(tǒng)頻率范圍

系統(tǒng)頻率范圍在100 MHz～18 GHz。

(2）系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍

天線測(cè)試系統(tǒng)中將接收機(jī)接收到的主瓣最大電平值和接收機(jī)的為測(cè)試讀數(shù)的峰-峰值小于某一個(gè)固定值(如＜1.5 dB）的差值定義為接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)信噪比下降時(shí)，接收機(jī)仍然可以檢測(cè)到信號(hào)的變化，但是測(cè)量的讀數(shù)受到噪聲的影響而產(chǎn)生較大的起伏。根據(jù)天線的特點(diǎn)，一般系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到60 dB 即可滿足天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的需求。

圖1 天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試連接圖

(3）系統(tǒng)線性度

系統(tǒng)線性度為＜0.2 dB/10 dB。

2 天線測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法

天線測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)主要包含三大部分，一是發(fā)射子系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，二是射頻接收子系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)，三是天線測(cè)試系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)。

2.1 發(fā)射子系統(tǒng)

發(fā)射子系統(tǒng)包括發(fā)射信號(hào)源、發(fā)射天線。發(fā)射信號(hào)源的校準(zhǔn)依據(jù)JJG173-2003《信號(hào)發(fā)生器檢定規(guī)程》，校準(zhǔn)項(xiàng)目包括頻率準(zhǔn)確度、最大輸出功率、絕對(duì)電平準(zhǔn)確度、相對(duì)電平準(zhǔn)確度、諧波、分諧波、非諧波、載波的剩余調(diào)幅和剩余調(diào)頻等指標(biāo)，其校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)在信號(hào)源技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。

2.2 射頻接收子系統(tǒng)

射頻接收子系統(tǒng)包括接收機(jī)、本振源、中頻/本振單元以及測(cè)試/參考混頻器等，其中接收機(jī)是射頻子系統(tǒng)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A 作為測(cè)試接收機(jī)。依據(jù)GJB/J3608-99《自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀檢定規(guī)程》，校準(zhǔn)項(xiàng)目為內(nèi)部源的校準(zhǔn)、測(cè)試端口S 參數(shù)和系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)，其校準(zhǔn)指標(biāo)應(yīng)符合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要技術(shù)要求。

天線測(cè)試的射頻接收子系統(tǒng)通過外混頻、中頻接收的模式工作，0.3～3 GHz為外混頻方式，2～18 GHz為外混頻基波方式。射頻接收子系統(tǒng)包含2 對(duì)混頻器，即0.3～3 GHz 頻段以及2～18 GHz 頻段的測(cè)試和參考混頻器。根據(jù)被測(cè)天線的工作頻率，選用不同的混頻器，系統(tǒng)的其他儀器連接方式不變。

天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的射頻接收子系統(tǒng)，其有效測(cè)量范圍(信號(hào)電平）和變化值決定了被測(cè)天線與幅度值相關(guān)的電性能。射頻接收子系統(tǒng)主要參數(shù)為線性度和線性動(dòng)態(tài)范圍。

將射頻子系統(tǒng)按照系統(tǒng)連接圖連接后(與現(xiàn)場(chǎng)連接相同），根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)所確定的功率，在不同頻率下，通過調(diào)節(jié)衰減器，測(cè)試接收機(jī)在不同信號(hào)強(qiáng)度時(shí)的信號(hào)變化的線性度范圍和峰-峰值變化，即為可用動(dòng)態(tài)范圍。

在實(shí)際天線測(cè)試中，依據(jù)該可用動(dòng)態(tài)范圍，確保被測(cè)天線最大副瓣接收信號(hào)處于此范圍內(nèi)，而峰-峰值的變化即為接收信號(hào)的變化。這實(shí)際上確定了天線測(cè)試過程中被測(cè)天線波束峰值、最大副瓣峰值的最大變化值。

射頻接收子系統(tǒng)測(cè)試連接圖見圖2。信號(hào)源輸出的信號(hào)進(jìn)入功分器，分成兩路，一路進(jìn)入?yún)⒖蓟祛l器，另一路進(jìn)入可調(diào)衰減器?？烧{(diào)衰減器輸出的信號(hào)進(jìn)入測(cè)試混頻器。測(cè)試混頻器通過電纜和中頻/本振單元傳遞測(cè)試通道的中頻信號(hào)和本振信號(hào)。參考混頻器通過電纜和中頻/本振單元傳遞本振信號(hào)、中頻信號(hào)和本振功率檢波信號(hào)，中頻/本振單元將放大后的測(cè)試通道和參考通道的中頻信號(hào)經(jīng)電纜送入接收機(jī)后面板的B和R1中頻直接接入端口。接收機(jī)的參考晶振輸出接入信號(hào)源的參考晶振輸入端，接收系統(tǒng)共享同一個(gè)晶振。

圖2 射頻接收子系統(tǒng)測(cè)試連接圖

信號(hào)源頻率設(shè)為0.3 GHz，－20 dBm，可調(diào)衰減器設(shè)為0 dB，此時(shí)用功率計(jì)讀取測(cè)試混頻器和參考混頻器輸入端的功率值，記錄測(cè)試值。重新連接好測(cè)試混頻器和參考混頻器輸入端的電纜，10 倍步進(jìn)調(diào)整可調(diào)衰減器的衰減量，減小測(cè)試通道信號(hào)的功率電平，在接收機(jī)上讀取測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，記錄接收機(jī)讀數(shù)的峰-峰值，分析射頻接收子系統(tǒng)的線性度范圍。當(dāng)測(cè)試通道信號(hào)電平步進(jìn)減小直至接收機(jī)系統(tǒng)線性區(qū)(如峰-峰值超過1.5 dB）后，線性度和系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試即可完成。

改變信號(hào)源頻率分別為1.0、2.0和2.8 GHz。重復(fù)上述過程，測(cè)試射頻接收子系統(tǒng)的線性度和系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍。測(cè)試結(jié)果見表1。

2～18GHz 范圍內(nèi)的射頻接收子系統(tǒng)的線性范圍和靈敏度的測(cè)試需要更換2～18 GHz測(cè)試混頻器和參考混頻器，設(shè)置頻率分別為2.5、4、8、12、15和18 GHz。重復(fù)上述測(cè)試過程，測(cè)試射頻接收子系統(tǒng)2～18 GHz 范圍內(nèi)的線性度和系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍。測(cè)試結(jié)果見表2。

表1 0.3～3 GHz 射頻接收子系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

表2 2～18 GHz 射頻接收子系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

上述測(cè)試結(jié)果表明:針對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)射頻子系統(tǒng)的需求，射頻子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)的線性度和系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍在18 GHz 以下頻率范圍，滿足天線測(cè)試要求。

2.3 天線測(cè)試系統(tǒng)的整體性能校準(zhǔn)

本天線測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)為極化轉(zhuǎn)臺(tái)和方位/俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成的三維轉(zhuǎn)臺(tái)，由一臺(tái)控制器統(tǒng)一控制，可以手動(dòng)(面板）和電動(dòng)(計(jì)算機(jī)）控制。轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)參數(shù)主要包括載重能力、旋轉(zhuǎn)角度范圍、最大旋轉(zhuǎn)速度和重復(fù)定位精度等。三維轉(zhuǎn)臺(tái)的角度重復(fù)定位精度:極化轉(zhuǎn)臺(tái)為± 0.02°，方位轉(zhuǎn)臺(tái)為± 0.03°，俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)為±0.04°。其中水平方向重復(fù)定位角度精度是轉(zhuǎn)臺(tái)最重要的參數(shù)指標(biāo)，它確保了天線測(cè)試的最大波束指向的重復(fù)性(或誤差）。

天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量軟件包括系統(tǒng)控制軟件、天線采集/分析軟件以及信號(hào)源、接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制器等的驅(qū)動(dòng)軟件。標(biāo)準(zhǔn)天線分析功能包括天線方向圖峰值和指向、波寬以及副瓣和位置，方向性系數(shù)或增益，單脈沖和差方向圖，園極化方向圖和軸比，直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)方向圖和數(shù)據(jù)列表，掃描統(tǒng)計(jì)，以及分析比較等。

為了驗(yàn)證天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，主要測(cè)試天線峰值電平、波束指向、波束寬度、副瓣電平、副瓣位置的重復(fù)性。采用1.5 m 柵條天線測(cè)試天線方向圖，驗(yàn)證指標(biāo)為方向圖的重復(fù)性，包括波束峰值和指向、3 dB波束寬度等。波束指向和3 dB波束寬度的重復(fù)性也間接驗(yàn)證了轉(zhuǎn)臺(tái)的水平方向重復(fù)定位角度精度。測(cè)試結(jié)果見表3，頻率測(cè)試點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性統(tǒng)計(jì)見表4。測(cè)試結(jié)果顯示該天線測(cè)試系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

表3 各頻率測(cè)試點(diǎn)平均數(shù)據(jù)值

表4 各頻率測(cè)試點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語

本文討論的天線測(cè)試系統(tǒng)包括了射頻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和軟件控制、測(cè)量和分析。通過對(duì)天線測(cè)試系統(tǒng)的分析研究，射頻系統(tǒng)接收機(jī)具有較好的線性動(dòng)態(tài)范圍和線性度，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性，軟件系統(tǒng)功能完整，可以滿足無源天線的測(cè)試。

在天線測(cè)試場(chǎng)地確定的情況下，對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)射子系統(tǒng)、射頻接收子系統(tǒng)、天線測(cè)試系統(tǒng)整體性能校準(zhǔn)，滿足天線測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)需求，確保該天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)在完成校準(zhǔn)后可以完成天線性能指標(biāo)測(cè)試。

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