基于PNA的天线远场测量系统设计与应用研究

孔 玥,杨沁泓,黄 晟,焦 禹

(中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

天线测量是获取天线实际性能指标数据、验证设计和制造等的必要工作,而天线测量中最重要的就是天线方向图测量。近年来随着微波仪器仪表的发展和基础建设成本的降低,微波暗室已经广泛应用于天线方向图测量,为各种近远场测试系统提供优良的电磁测量环境[1]。基于微波暗室的室内远场测量技术可以在天线的辐射远场区直接测量得到天线参数[2],相对于近场测量,具有测量方法直观、数据分析简单、天线耦合误差和多次反射误差影响小等优点[3],是目前天线方向图测量的主要手段之一。

根据项目需求,本文设计一套天线远场测量系统,布置在已建成的微波暗室内,要求频率范围为L波段至Ka波段,适用于标准喇叭天线在内多种典型天线的测量,同时应具备通用性强、测量效率高、使用维护简便等特点。该系统由转台、软件控制和射频3个分系统组成,其中射频分系统以矢量网络分析仪(PNA系列)为核心。

1 方案设计

天线远场测量系统是在计算机的控制下,实现天线辐射远场区的数据采集、分析和处理的全自动测量系统。根据功能主要由转台分系统、软件控制分系统、射频分系统3部分组成,系统组成如图1所示。

图1 天线远场测量系统组成框图

转台分系统是用于架设和调整天线物理姿态的设备集合。根据已建成的微波暗室布局,在微波暗室静区一端安装三轴转台,另一端安装极化转台。三轴转台上安装被测天线,在测量过程中,能够精确地控制天线的运动状态从而改变其在空间的机械指向,确保天线的姿态可以按测量要求设置。极化转台用于架设和设置发射天线的极化位置,能够实现360°连续旋转。

软件控制分系统包括计算机、系统软件和控制网络等,用于实现计算机与矢量网络分析仪、极化转台和三轴转台等设备间的信息交互。通过运行天线远场测量系统软件,实现天线远场方向图的数据采集、处理和保存等功能。

射频分系统是天线远场测量系统的核心,用于实现射频信号的发送、传输和接收等功能,其性能指标直接影响远场方向图和天线指标的测量结果。一般包括矢量网络分析仪、射频信号源、中频单元、参考/测试混频器、定向耦合器和射频/中频电缆等。

2 射频分系统设计

作为天线测量系统的核心部分,射频分系统直接决定了系统的动态范围、方向图测量的精度、数据采集的速度等。在满足微波暗室环境和用户需求的基础上,对其进行配置方案选择和仪表选型,使得天线远场测量系统在被测天线接收状态时的射频分系统动态范围满足≥80 dB(0.38 GHz ～40 GHz)的要求。

2.1 配置方案选择

常用的基于矢量网络分析仪(以下简称矢网)的射频系统配置方案有4种:矢网直连模式、矢网+射频信号源模式、矢网+中频单元+混频器模式以及矢网+射频信号源+中频单元+混频器模式,其中矢网直连模式原理如图2所示。该模式系统简单,天线收、发模式可以任意切换且多频测试速度快,但是收发距离有限,适用于室内近距离的小尺寸天线测量[4]。

图2 矢网直连模式原理框图

矢网+射频信号源模式原理如图3所示。该模式可根据测试场地灵活布局仪表,但是对矢网和信号源之间的时钟同步、扫频同步的控制要求较高,适用于室内或室外的中等距离的中、大尺寸天线测量。

图3 矢网+射频信号源模式原理框图

矢网+中频单元+混频器模式原理如图4所示。该模式下的接收信号传输损耗低,相比上述两种模式,系统的射频动态范围有所增加,同时需要配置外混频仪表,适用于室内中/远距离的中、大尺寸天线测量。

图4 矢网+中频单元+混频器模式原理框图

矢网+射频信号源+中频单元+混频器模式原理如图5所示。相较于上述几种模式,这种模式更加适合用于射频传输距离长、大尺寸的天线测量需求,例如须架设在一定高度进行远距离测试的低频天线,主要特点有:

图5 矢网+射频信号源+中频单元+混频器模式原理框图

(1)采用外混频模式,高频段的射频信号转换成中频信号传输,通过选用性能指标合适的射频电缆,能够满足低损耗的传输需求。同时,与波导传输方式相比,射频电缆链路的搭建成本较低、适用的频率范围较宽,连接操作简单,且后期维护方便;

(2)射频动态范围较高,且具有可扩展性,根据实际被测天线的性能特点,在接收天线的近端增加低噪声放大器,可以补偿接收链路电缆带来的接收电平损失,而在发射链路增加功率放大器,可以提高天线增益,有效扩展了动态范围[5];

(3)仪表配置灵活,扩频方便,技术相对成熟。对于低频段天线测量,矢网既可以同时用于天线信号发射,也可以完成信号接收;对于高频段天线测量,在发射天线后端布置信号源,可以进一步降低传输损耗、补充增益。

综合考虑现有微波暗室的环境条件和系统测量需求,选择矢网+射频信号源+中频单元+混频器模式作为射频分系统的配置方案。

2.2 仪表选型

根据上述配置方案分析射频分系统的仪表型号,主要考虑以下因素:

(1)射频输出功率:射频分系统中输出功率的提高可以使接收机更精确地检测和测量接收天线的功率,在保证不会损伤接收机的前提下增大射频输出功率可以帮助增加动态范围,同时改善系统信噪比,提高幅相数据稳定性,使测试结果更精确。

(2)接收机动态范围:这一参数决定了射频分系统所能够测量的功率范围,定义为Pmax-Pmin,由表1[6]可知,其基本由接收机本身性能参数指标决定。

表1 接收机的Pmax和Pmin的定义

(3)测试响应速度:在射频分系统中,包括频率切换时间、扫描速度和数据传输时间等在内的测试响应速度,直接影响远场方向图测量的速度。选择测试响应速度快的仪表,可以进一步提高天线特别是多频点、多波位天线的测量效率。

(4)仪表型号的通用性:在工程实践中,应当参考用户现有的仪表型号,最大程度地兼顾测量人员的使用习惯、其他常见使用场景等,以提升仪表使用的综合效率和管理的便利性。

根据矢网+射频信号源+中频单元+混频器模式的原理,矢量网络分析仪是全测试频段的信号接收设备,同时在低频段可以用作信号发射源,是方案中所有射频仪表的基础和关键设备,因此主要研究选择矢量网络分析仪的型号。

目前行业内比较常用的矢量网络分析仪包括是德品牌PNA系列的N5222A型、N5224B型,罗德施瓦茨品牌ZNA系列的ZNA26型等,在分析比较各型号的频率范围、主要技术指标和适配性后,选择是德PNA N5224B矢量网络分析仪完成射频分系统构建。其主要技术指标如下:

(1)频率范围:10 MHz～43.5 GHz;

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

(3)系统动态范围:126 dB ～132 dB(3 GHz频率范围、10 Hz IFBW时);

(4)接收机动态范围:149 dB～155 dB(3 GHz频率范围、10 Hz IFBW时);

(5)本底噪声:-114 dBm,最大功率+7 dBm～+13 dBm(3 GHz频率范围时);

(6)最快扫描速度:5.5 ms(600 kHz IFBW);

(7)数据传输时间:<1 ms(32位浮点数,201测量点,SCPI模式TCP/IP网络传输)。

该型号矢量网络分析仪具有动态范围大、测量灵敏度高,线性度好,扫频速度快,群延迟精度高[7]等优点。同品牌可提供丰富的中频单元、混频器和信号源产品,配合使用时设备兼容性较好,通讯指令具有相似性,便于软件编程。同时,需要测量人员对此型仪表有比较丰富的使用和维护经验。

3 系统构建与动态范围估算

3.1 系统构建

天线远场测量系统在微波暗室内完成设备构建和应用,发射天线与接收天线之间的直线距离约为20 m,具体组成如图6所示,其中被测天线为接收天线。

图6 天线远场测量系统组成示意图

该系统具有以下优点:

(1)通用性强:可以满足L至Ka波段的超宽频段的多种类型天线的测量;

(2)灵活性高:射频参数、极化方式等可以根据被测天线的不同类型进行设置和调整;

(3)模块化:软件编程遵循模块化理念,各功能模块之间通过标准的内部接口实现数据交互;

(4)可扩展性强:当系统硬件设备发生变化时,通过对相应的软件功能模块进行重新编程即可完成系统功能扩展。

3.2 动态范围估算

当被测天线为接收天线时,射频分系统接收支路的动态范围计算公式如下:

其中:R为动态范围;PRF为信号源输出功率,以其标称的最大输出功率计算;Ga为源放大器增益,以其标称的最大增益计算;Le为射频发射电缆损耗,以电缆标称的单位损耗乘以电缆长度计算;Ge为发射天线增益,以天线标称的增益或原测量数据计算;Ls为空间传播路径损耗,以公式Ls=32.45+20lg(f)+20lg(D)计算(f为频率,D为距离);Gr为接收天线增益,以天线标称的增益或原有测量数据计算;Lr为射频接收电缆损耗,以电缆标称的单位损耗乘以电缆长度计算;Lm为混频器变频损耗,以混频器标称的变频损耗计算;Gl为低噪声放大器增益,以其标称的最大增益计算;S为矢网接收机灵敏度,以矢网标称的最大灵敏度计算;N为环境本底噪声,以-10 dB[8]计算。

根据式(1)以及各仪器仪表的标称数据,发射、接收天线为标准增益喇叭,则动态范围的理论估算数据如图7所示,满足≥80 dB(0.38 GHz～40 GHz)的设计要求。

图7 动态范围理论估算

4 结束语

本文设计的天线远场测量系统适用于现有微波暗室的环境条件,满足用户测量需求。实际应用证明,系统具有通用性强、灵活性高、模块化、可扩展性强等优点,对天线远场测量系统的设计和工程应用具有一定的参考意义。