基于PNA的天線遠場測量系統設計與應用研究

孔 玥,楊沁泓,黃 晟,焦 禹

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

天線測量是獲取天線實際性能指標數據、驗證設計和制造等的必要工作,而天線測量中最重要的就是天線方向圖測量。近年來隨著微波儀器儀表的發展和基礎建設成本的降低,微波暗室已經廣泛應用于天線方向圖測量,為各種近遠場測試系統提供優良的電磁測量環境[1]?；谖⒉ò凳业氖覂冗h場測量技術可以在天線的輻射遠場區直接測量得到天線參數[2],相對于近場測量,具有測量方法直觀、數據分析簡單、天線耦合誤差和多次反射誤差影響小等優點[3],是目前天線方向圖測量的主要手段之一。

根據項目需求,本文設計一套天線遠場測量系統,布置在已建成的微波暗室內,要求頻率范圍為L波段至Ka波段,適用于標準喇叭天線在內多種典型天線的測量,同時應具備通用性強、測量效率高、使用維護簡便等特點。該系統由轉臺、軟件控制和射頻3個分系統組成,其中射頻分系統以矢量網絡分析儀(PNA系列)為核心。

1 方案設計

天線遠場測量系統是在計算機的控制下,實現天線輻射遠場區的數據采集、分析和處理的全自動測量系統。根據功能主要由轉臺分系統、軟件控制分系統、射頻分系統3部分組成,系統組成如圖1所示。

圖1 天線遠場測量系統組成框圖

轉臺分系統是用于架設和調整天線物理姿態的設備集合。根據已建成的微波暗室布局,在微波暗室靜區一端安裝三軸轉臺,另一端安裝極化轉臺。三軸轉臺上安裝被測天線,在測量過程中,能夠精確地控制天線的運動狀態從而改變其在空間的機械指向,確保天線的姿態可以按測量要求設置。極化轉臺用于架設和設置發射天線的極化位置,能夠實現360°連續旋轉。

軟件控制分系統包括計算機、系統軟件和控制網絡等,用于實現計算機與矢量網絡分析儀、極化轉臺和三軸轉臺等設備間的信息交互。通過運行天線遠場測量系統軟件,實現天線遠場方向圖的數據采集、處理和保存等功能。

射頻分系統是天線遠場測量系統的核心,用于實現射頻信號的發送、傳輸和接收等功能,其性能指標直接影響遠場方向圖和天線指標的測量結果。一般包括矢量網絡分析儀、射頻信號源、中頻單元、參考/測試混頻器、定向耦合器和射頻/中頻電纜等。

2 射頻分系統設計

作為天線測量系統的核心部分,射頻分系統直接決定了系統的動態范圍、方向圖測量的精度、數據采集的速度等。在滿足微波暗室環境和用戶需求的基礎上,對其進行配置方案選擇和儀表選型,使得天線遠場測量系統在被測天線接收狀態時的射頻分系統動態范圍滿足≥80 dB(0.38 GHz ～40 GHz)的要求。

2.1 配置方案選擇

常用的基于矢量網絡分析儀(以下簡稱矢網)的射頻系統配置方案有4種:矢網直連模式、矢網+射頻信號源模式、矢網+中頻單元+混頻器模式以及矢網+射頻信號源+中頻單元+混頻器模式,其中矢網直連模式原理如圖2所示。該模式系統簡單,天線收、發模式可以任意切換且多頻測試速度快,但是收發距離有限,適用于室內近距離的小尺寸天線測量[4]。

圖2 矢網直連模式原理框圖

矢網+射頻信號源模式原理如圖3所示。該模式可根據測試場地靈活布局儀表,但是對矢網和信號源之間的時鐘同步、掃頻同步的控制要求較高,適用于室內或室外的中等距離的中、大尺寸天線測量。

圖3 矢網+射頻信號源模式原理框圖

矢網+中頻單元+混頻器模式原理如圖4所示。該模式下的接收信號傳輸損耗低,相比上述兩種模式,系統的射頻動態范圍有所增加,同時需要配置外混頻儀表,適用于室內中/遠距離的中、大尺寸天線測量。

圖4 矢網+中頻單元+混頻器模式原理框圖

矢網+射頻信號源+中頻單元+混頻器模式原理如圖5所示。相較于上述幾種模式,這種模式更加適合用于射頻傳輸距離長、大尺寸的天線測量需求,例如須架設在一定高度進行遠距離測試的低頻天線,主要特點有:

圖5 矢網+射頻信號源+中頻單元+混頻器模式原理框圖

(1)采用外混頻模式,高頻段的射頻信號轉換成中頻信號傳輸,通過選用性能指標合適的射頻電纜,能夠滿足低損耗的傳輸需求。同時,與波導傳輸方式相比,射頻電纜鏈路的搭建成本較低、適用的頻率范圍較寬,連接操作簡單,且后期維護方便;

(2)射頻動態范圍較高,且具有可擴展性,根據實際被測天線的性能特點,在接收天線的近端增加低噪聲放大器,可以補償接收鏈路電纜帶來的接收電平損失,而在發射鏈路增加功率放大器,可以提高天線增益,有效擴展了動態范圍[5];

(3)儀表配置靈活,擴頻方便,技術相對成熟。對于低頻段天線測量,矢網既可以同時用于天線信號發射,也可以完成信號接收;對于高頻段天線測量,在發射天線后端布置信號源,可以進一步降低傳輸損耗、補充增益。

綜合考慮現有微波暗室的環境條件和系統測量需求,選擇矢網+射頻信號源+中頻單元+混頻器模式作為射頻分系統的配置方案。

2.2 儀表選型

根據上述配置方案分析射頻分系統的儀表型號,主要考慮以下因素:

(1)射頻輸出功率:射頻分系統中輸出功率的提高可以使接收機更精確地檢測和測量接收天線的功率,在保證不會損傷接收機的前提下增大射頻輸出功率可以幫助增加動態范圍,同時改善系統信噪比,提高幅相數據穩定性,使測試結果更精確。

(2)接收機動態范圍:這一參數決定了射頻分系統所能夠測量的功率范圍,定義為Pmax-Pmin,由表1[6]可知,其基本由接收機本身性能參數指標決定。

表1 接收機的Pmax和Pmin的定義

(3)測試響應速度:在射頻分系統中,包括頻率切換時間、掃描速度和數據傳輸時間等在內的測試響應速度,直接影響遠場方向圖測量的速度。選擇測試響應速度快的儀表,可以進一步提高天線特別是多頻點、多波位天線的測量效率。

(4)儀表型號的通用性:在工程實踐中,應當參考用戶現有的儀表型號,最大程度地兼顧測量人員的使用習慣、其他常見使用場景等,以提升儀表使用的綜合效率和管理的便利性。

根據矢網+射頻信號源+中頻單元+混頻器模式的原理,矢量網絡分析儀是全測試頻段的信號接收設備,同時在低頻段可以用作信號發射源,是方案中所有射頻儀表的基礎和關鍵設備,因此主要研究選擇矢量網絡分析儀的型號。

目前行業內比較常用的矢量網絡分析儀包括是德品牌PNA系列的N5222A型、N5224B型,羅德施瓦茨品牌ZNA系列的ZNA26型等,在分析比較各型號的頻率范圍、主要技術指標和適配性后,選擇是德PNA N5224B矢量網絡分析儀完成射頻分系統構建。其主要技術指標如下:

(1)頻率范圍:10 MHz～43.5 GHz;

(2)最大輸出功率:+13 dBm(0.05 GHz～35 GHz),+10 dBm(35 GHz ～43.5 GHz);

(3)系統動態范圍:126 dB ～132 dB(3 GHz頻率范圍、10 Hz IFBW時);

(4)接收機動態范圍:149 dB～155 dB(3 GHz頻率范圍、10 Hz IFBW時);

(5)本底噪聲:-114 dBm,最大功率+7 dBm～+13 dBm(3 GHz頻率范圍時);

(6)最快掃描速度:5.5 ms(600 kHz IFBW);

(7)數據傳輸時間:<1 ms(32位浮點數,201測量點,SCPI模式TCP/IP網絡傳輸)。

該型號矢量網絡分析儀具有動態范圍大、測量靈敏度高,線性度好,掃頻速度快,群延遲精度高[7]等優點。同品牌可提供豐富的中頻單元、混頻器和信號源產品,配合使用時設備兼容性較好,通訊指令具有相似性,便于軟件編程。同時,需要測量人員對此型儀表有比較豐富的使用和維護經驗。

3 系統構建與動態范圍估算

3.1 系統構建

天線遠場測量系統在微波暗室內完成設備構建和應用,發射天線與接收天線之間的直線距離約為20 m,具體組成如圖6所示,其中被測天線為接收天線。

圖6 天線遠場測量系統組成示意圖

該系統具有以下優點:

(1)通用性強:可以滿足L至Ka波段的超寬頻段的多種類型天線的測量;

(2)靈活性高:射頻參數、極化方式等可以根據被測天線的不同類型進行設置和調整;

(3)模塊化:軟件編程遵循模塊化理念,各功能模塊之間通過標準的內部接口實現數據交互;

(4)可擴展性強:當系統硬件設備發生變化時,通過對相應的軟件功能模塊進行重新編程即可完成系統功能擴展。

3.2 動態范圍估算

當被測天線為接收天線時,射頻分系統接收支路的動態范圍計算公式如下:

其中:R為動態范圍;PRF為信號源輸出功率,以其標稱的最大輸出功率計算;Ga為源放大器增益,以其標稱的最大增益計算;Le為射頻發射電纜損耗,以電纜標稱的單位損耗乘以電纜長度計算;Ge為發射天線增益,以天線標稱的增益或原測量數據計算;Ls為空間傳播路徑損耗,以公式Ls=32.45+20lg(f)+20lg(D)計算(f為頻率,D為距離);Gr為接收天線增益,以天線標稱的增益或原有測量數據計算;Lr為射頻接收電纜損耗,以電纜標稱的單位損耗乘以電纜長度計算;Lm為混頻器變頻損耗,以混頻器標稱的變頻損耗計算;Gl為低噪聲放大器增益,以其標稱的最大增益計算;S為矢網接收機靈敏度,以矢網標稱的最大靈敏度計算;N為環境本底噪聲,以-10 dB[8]計算。

根據式(1)以及各儀器儀表的標稱數據,發射、接收天線為標準增益喇叭,則動態范圍的理論估算數據如圖7所示,滿足≥80 dB(0.38 GHz～40 GHz)的設計要求。

圖7 動態范圍理論估算

4 結束語

本文設計的天線遠場測量系統適用于現有微波暗室的環境條件,滿足用戶測量需求。實際應用證明,系統具有通用性強、靈活性高、模塊化、可擴展性強等優點,對天線遠場測量系統的設計和工程應用具有一定的參考意義。