中電科思儀科技股份有限公司 張文濤

隨著天線頻率向太赫茲頻段拓展，高頻段天線測試系統(tǒng)需求越來越緊迫，對于天線測試來說，通常有遠(yuǎn)場測試、緊縮場測試、近場測試三大類測試方法。遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于測試速度快，不用經(jīng)過電磁波轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算，測試精度高。但遠(yuǎn)場測試時(shí)，測試距離必須滿足遠(yuǎn)場條件，太赫茲頻段空間損耗高，對應(yīng)頻段的功放、低噪放增益小，由此帶來的問題是系統(tǒng)動態(tài)范圍小。緊縮場測試通過反射面實(shí)現(xiàn)了電磁波從球面波到平面波的轉(zhuǎn)換，縮短了測試距離，解決了高頻、大尺寸天線的測試問題，但緊縮場為了滿足靜區(qū)尺寸范圍，需要加工尺寸較大的反射面，且太赫茲頻段加工精度高（1/60λ），成本昂貴。近場測試通過利用掃描探頭采集天線近場測試區(qū)域內(nèi)幅相信息，再經(jīng)過數(shù)學(xué)變換得到天線的遠(yuǎn)場特性。

通過設(shè)計(jì)近遠(yuǎn)場復(fù)合測試系統(tǒng)，使該系統(tǒng)在低頻段可以采用近場或遠(yuǎn)場測試，高頻段天線測試在不滿足遠(yuǎn)場條件的前提下，可采用近場測試。從而完成高效、可復(fù)用、多種測試方法合一的天線測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案

1.1 硬件技術(shù)方案

近遠(yuǎn)場天線測試系統(tǒng)由測試部分與控制部分組成，其中測試系統(tǒng)部分放在微波暗室中，主要由網(wǎng)絡(luò)分析儀、太赫茲發(fā)射模塊、太赫茲接收模塊、掃描架、轉(zhuǎn)臺、近場測試探頭、功率放大器、低噪聲放大器、連接電纜等組成。

測試系統(tǒng)連接框圖如圖1所示。

圖1 1～110GHz近遠(yuǎn)場復(fù)合天線測試系統(tǒng)框圖

如圖1所示，1～40GHz天線近場測試系統(tǒng)的具體工作原理為：在主控計(jì)算機(jī)的控制下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生的激勵信號，通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后經(jīng)待測天線輻射出去；近場測量探頭和低噪聲放大器固定在掃描架上，在主控計(jì)算機(jī)的控制下，通過掃描架進(jìn)行不同位置的掃描獲取各個(gè)位置的信號；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將接收到的信號傳送給主控計(jì)算機(jī)；主控計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的矢量信息，通過運(yùn)行變換處理算法，實(shí)現(xiàn)近場測試數(shù)據(jù)到天線遠(yuǎn)場方向圖特性的反演換算，完成系統(tǒng)測試。

40～110GHz天線近場測試系統(tǒng)的具體工作原理為：在主控計(jì)算機(jī)的控制下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生的激勵信號，首先進(jìn)入太赫茲發(fā)射模塊，信號倍頻輸出后，經(jīng)待測天線輻射出去；掃描架上的近場測量探頭接收到信號后送入太赫茲接收模塊，由接收模塊完成信號下變頻，得到的中頻信號送入網(wǎng)絡(luò)分析儀的外中頻輸入接收機(jī)中，在主控計(jì)算機(jī)的控制下，通過掃描架進(jìn)行不同位置的掃描獲取各個(gè)位置的信號；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將接收到的信號送給主控計(jì)算機(jī)；主控計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的信號幅相信息，通過運(yùn)行變換處理算法，實(shí)現(xiàn)近場測試數(shù)據(jù)到天線遠(yuǎn)場方向圖特性的反演換算，完成系統(tǒng)測試。對于不同頻段的天線測試只需要更換對應(yīng)的太赫茲發(fā)射模塊和接收模塊即可。

遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)原理同近場測試系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)臺通過地軌后退至滿足遠(yuǎn)場條件的距離處，信號由掃描架上的近場探頭（或配置標(biāo)準(zhǔn)增益天線）發(fā)射，由轉(zhuǎn)臺上的待測天線接收，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺得到被測天線不同角度下的幅相進(jìn)行，進(jìn)而得到天線的方向圖曲線。

1.2 系統(tǒng)布局圖

系統(tǒng)布局圖如圖2所示。由于40GHz以下頻段采用直通模式測試，40GHz電纜損耗大，為提高系統(tǒng)動態(tài)范圍，將測試儀表盡可能的靠近掃描架，進(jìn)而縮短測試電纜長度，并且在發(fā)射端通過增加功率放大器提高發(fā)射天線的輸入功率，在接收天線后端增加低噪聲放大器，對信號進(jìn)行增益，從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

圖2 1～110GHz近遠(yuǎn)場復(fù)合天線測試布局俯視圖

2 研究成果

系統(tǒng)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要指標(biāo)

110GHz標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線方向圖實(shí)測圖，如圖3所示。

圖3 110GHz標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭方向圖實(shí)測圖

系統(tǒng)實(shí)物照片如圖4所示。

圖4 1～110GHz近遠(yuǎn)場復(fù)合天線測試系統(tǒng)實(shí)物圖片

結(jié)論：本文介紹了一種近遠(yuǎn)場復(fù)合天線測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過合理配置高精度的掃描架、轉(zhuǎn)臺及各頻段收發(fā)模塊，完成1～110GHz近遠(yuǎn)場復(fù)合天線測試系統(tǒng)搭建。目前該系統(tǒng)已工程化應(yīng)用，解決了高效快速的寬頻帶天線測試問題。