一种微波毫米波馈源自动化测试系统

秦光远，秦顺友

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

微波暗室又称“吸波暗室”、“无反射室”，简称暗室。它是以吸波材料作衬的房间，能吸收入射到墙壁上的大部分电磁能量，较好地模拟自由空间测试条件，是天线馈源、小电尺寸天线测试研究的理想场所。在暗室中进行天线测量，不仅可以得到稳定的信号电平，而且避免了外界电磁干扰的影响，且可以全天候工作，保密性强。微波暗室在天线测量中获得了广泛的应用［1］［2］［3］。本文介绍了一种利用微波暗室，建立的微波毫米波天线馈源自动化测试系统，该系统实现馈源网络高精度、扫频全自动化测量，大大提高了测试效率。

图1 微波毫米波馈源自动化测试系统框图

1 自动测试系统设计

1.1 系统组成

微波暗室馈源自动化测试系统由测试转台子系统、信标极化转台子系统、转台伺服控制子系统、射频仪器设备子系统、软件子系统和电缆元器件组成。系统框图如图1所示，图中E8257D为信号源，85309A为中频本振单元，PNA＿X为矢量网络分析仪，PC为主控计算机。

（1）测试转台子系统包括测试转台、偏置臂和馈源架设支撑架。主要用于架设天线馈源网络，可以在方位轴旋转±180°，在俯仰轴旋转±90°。测试中通过轴角码盘传输实时的转台角度，角度精确度达到0.001度。

（2）信标极化转台子系统包括信标发射喇叭、极化旋转装置、发射端方位和横向调整装置、发射端升降臂、发射端移动车。在天线馈源网络架设过程中，发射移动车可以调整测试距离和测试高度，信标发射喇叭还可以在方位和横向两个方向随意调整，以便通过红外光对准被测馈源口面中心，实现精确对准，精确度达到1mm。

（3）转台伺服控制子系统主要是伺服控制机柜。用来控制测试转台和发射喇叭极化的旋转。

（4）射频仪器设备子系统包括发射信号源E8257D（50GHz）、本振信号源E8257D（26.5GHz）、矢量网络分析仪PNA＿X、中频／本振单元85309A、测试混频器85320AHxx、参考混频器85320BHxx。

（5）软件子系统包括测试软件和数据分析软件。

1.2 系统主要性能指标

微波毫米波馈源自动化测试系统主要性能如下：

① 频率范围：100MHz－50GHz；

②不加低噪声放大器时的动态范围：

＜18GHz 优于80dB

18－26.5GHz 优于70dB

26.5－40GHz 优于60dB

40－50GHz 优于50dB

③ 系统可以同时测量多于10个频点的幅度方向图、相位方向图、交叉极化图和轴比图；

1.3 系统工作原理

测试被测天线方向图时，首先在主控计算机上对系统各设备进行连接，设置测试参数，然后系统开始测试。

发射信号源将射频信号经耦合器（或功分器）分为两路：一路通过发射天线将信号发出；另一路经射频电缆传给参考混频器。本振信号源同时将本振信号传给本振中频单元，经本振中频单元将参考本振信号传给参考混频器，再经参考混频器处理将参考中频信号回传给本振中频单元，最后将参考中频信号传给矢量网络分析仪。接收天线将接收到的射频信号经测试混频器处理后，传到本振中频单元，再将信号转变为测试中频信号传给矢量网络分析仪。矢量网络分析仪对测试支路和参考支路的中频信号进行比值处理，从而测量馈源网络的幅相特性。

转台转动到某个角度时，发射信号源和本振信号源将多个频点依次扫描，矢量网络分析仪相应做接收处理，转台再转动到下一个角度，矢量网络分析仪完成不同方位角度下的多频点的数据采集，测试完成便得到被测天线的方向图［4］［5］。

1.4 系统工作模式

测试中由于系统频率覆盖范围较宽，故将测试模式分为三种：

（1）直接测量模式

频率在100MHz－300MHz时，系统为直接测量模式。系统中不经过混频器、本振信号源和本振中频单元，发射信号源发射信号，矢量网络分析仪接收信号，信号以测试频率进行传输和接收。直接测量模式系统框图如图2所示。

（2）基波混频模式

频率在300MHz－18GHz时，系统为基波混频模式。此时系统中混频本振的信号源与发射信号源相差为中频。混频测量模式系统框图和图1相同。

基波混频模式公式为：

图2 直接测试模式系统框图

式中：FLo—本振频率；FTs—发射频率；FIF—中频频率，等于7.605634MHz。

（3）谐波混频模式

频率在18GHz－50GHz时，系统为谐波混频模式。此时系统中混频本振的信号源的3次谐波与发射信号源相差为中频。谐波混频模式公式为：

1.5 系统软件设计

本系统软件利用VB语言编写，运行于Windows 7操作系统。系统软件分为天线测试软件和数据分析软件两部分。天线测试软件用于测试仪器、转台驱动器、信标极化旋转装置等设备的控制，完成测试数据的采集，并将采集的数据保存。数据分析软件可以对测试软件保存的数据进行各个电气性能（如天线幅度方向图、相位方向图、－N dB波束宽度、交叉极化、轴比等）的处理，可以单频点处理，也可以多频点同时处理，便于比较分析。测试软件界面如图3所示。

图3 测试软件界面

2 测试实例

这里以C／Ku馈源网络测量为例，说明该测试系统在工程测量中的应用。图4为实际测试装置，图5和图6为不同频点的幅度方向图测量结果。测试结果表明：在误差允许的范围内，实测结果与理论仿真结果吻合很好。

图4 C／Ku馈源网络测试图片

图5 馈源Ku频段方向图

图6 馈源C频段方向图

3 结束语

微波暗室广泛应用于天线测量中，本文介绍了一种微波暗室毫米波馈源自动化测试系统，简述了测试系统组成、工作原理和工作模式。该测试系统具有工作频段宽、动态范围大和自动化程度高等特点，在实际工程测量中获得了良好的应用。

［1］ 毛乃宏，俱新德等编著.天线测量手册［M］.北京：国防工业出版社，1987：15－22.

［2］ 李高升，刘继斌，何建国.微波暗室设计原理的研究与应用［J］.电波科学学报，2004，19（Sup.）：285－288.

［3］ 王小强.基于矢网的天线馈源自动测试系统［J］.电子测量与仪器学报.2009，增刊：99－101.

［4］ L.Shmidov，S.Hizkiahou.Active antenna measurement system with high speed time synchronization［C］.AMTA Proceedings 2004.

［5］ Leland H Hemming.Electromagnetic Test Facilities，Basic Design Principals［C］.A series of lectures at AEMI 1990.

［6］ 秦顺友，许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术［M］.北京：人民邮电出版社，2006.