孔 玥,楊沁泓,黃 晟,焦 禹

(中國船舶集團(tuán)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(shí)際性能指標(biāo)數(shù)據(jù)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)成本的降低,微波暗室已經(jīng)廣泛應(yīng)用于天線方向圖測量,為各種近遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)提供優(yōu)良的電磁測量環(huán)境[1]?；谖⒉ò凳业氖覂?nèi)遠(yuǎn)場測量技術(shù)可以在天線的輻射遠(yuǎn)場區(qū)直接測量得到天線參數(shù)[2],相對于近場測量,具有測量方法直觀、數(shù)據(jù)分析簡單、天線耦合誤差和多次反射誤差影響小等優(yōu)點(diǎn)[3],是目前天線方向圖測量的主要手段之一。

根據(jù)項(xiàng)目需求,本文設(shè)計(jì)一套天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng),布置在已建成的微波暗室內(nèi),要求頻率范圍為L波段至Ka波段,適用于標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線在內(nèi)多種典型天線的測量,同時(shí)應(yīng)具備通用性強(qiáng)、測量效率高、使用維護(hù)簡便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺、軟件控制和射頻3個(gè)分系統(tǒng)組成,其中射頻分系統(tǒng)以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(PNA系列)為核心。

1 方案設(shè)計(jì)

天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)的控制下,實(shí)現(xiàn)天線輻射遠(yuǎn)場區(qū)的數(shù)據(jù)采集、分析和處理的全自動測量系統(tǒng)。根據(jù)功能主要由轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)、軟件控制分系統(tǒng)、射頻分系統(tǒng)3部分組成,系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)組成框圖

轉(zhuǎn)臺分系統(tǒng)是用于架設(shè)和調(diào)整天線物理姿態(tài)的設(shè)備集合。根據(jù)已建成的微波暗室布局,在微波暗室靜區(qū)一端安裝三軸轉(zhuǎn)臺,另一端安裝極化轉(zhuǎn)臺。三軸轉(zhuǎn)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(yùn)動狀態(tài)從而改變其在空間的機(jī)械指向,確保天線的姿態(tài)可以按測量要求設(shè)置。極化轉(zhuǎn)臺用于架設(shè)和設(shè)置發(fā)射天線的極化位置,能夠?qū)崿F(xiàn)360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

軟件控制分系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)軟件和控制網(wǎng)絡(luò)等,用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、極化轉(zhuǎn)臺和三軸轉(zhuǎn)臺等設(shè)備間的信息交互。通過運(yùn)行天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)天線遠(yuǎn)場方向圖的數(shù)據(jù)采集、處理和保存等功能。

射頻分系統(tǒng)是天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)的核心,用于實(shí)現(xiàn)射頻信號的發(fā)送、傳輸和接收等功能,其性能指標(biāo)直接影響遠(yuǎn)場方向圖和天線指標(biāo)的測量結(jié)果。一般包括矢量網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)設(shè)計(jì)

作為天線測量系統(tǒng)的核心部分,射頻分系統(tǒng)直接決定了系統(tǒng)的動態(tài)范圍、方向圖測量的精度、數(shù)據(jù)采集的速度等。在滿足微波暗室環(huán)境和用戶需求的基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行配置方案選擇和儀表選型,使得天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)在被測天線接收狀態(tài)時(shí)的射頻分系統(tǒng)動態(tài)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(wǎng)絡(luò)分析儀(以下簡稱矢網(wǎng))的射頻系統(tǒng)配置方案有4種:矢網(wǎng)直連模式、矢網(wǎng)+射頻信號源模式、矢網(wǎng)+中頻單元+混頻器模式以及矢網(wǎng)+射頻信號源+中頻單元+混頻器模式,其中矢網(wǎng)直連模式原理如圖2所示。該模式系統(tǒng)簡單,天線收、發(fā)模式可以任意切換且多頻測試速度快,但是收發(fā)距離有限,適用于室內(nèi)近距離的小尺寸天線測量[4]。

圖2 矢網(wǎng)直連模式原理框圖

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

圖3 矢網(wǎng)+射頻信號源模式原理框圖

矢網(wǎng)+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(tǒng)的射頻動態(tài)范圍有所增加,同時(shí)需要配置外混頻儀表,適用于室內(nèi)中/遠(yuǎn)距離的中、大尺寸天線測量。

圖4 矢網(wǎng)+中頻單元+混頻器模式原理框圖

矢網(wǎng)+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(shè)在一定高度進(jìn)行遠(yuǎn)距離測試的低頻天線,主要特點(diǎn)有:

圖5 矢網(wǎng)+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(zhuǎn)換成中頻信號傳輸,通過選用性能指標(biāo)合適的射頻電纜,能夠滿足低損耗的傳輸需求。同時(shí),與波導(dǎo)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(hù)方便;

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

(3)儀表配置靈活,擴(kuò)頻方便,技術(shù)相對成熟。對于低頻段天線測量,矢網(wǎng)既可以同時(shí)用于天線信號發(fā)射,也可以完成信號接收;對于高頻段天線測量,在發(fā)射天線后端布置信號源,可以進(jìn)一步降低傳輸損耗、補(bǔ)充增益。

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

2.2 儀表選型

根據(jù)上述配置方案分析射頻分系統(tǒng)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(tǒng)中輸出功率的提高可以使接收機(jī)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(jī)的前提下增大射頻輸出功率可以幫助增加動態(tài)范圍,同時(shí)改善系統(tǒng)信噪比,提高幅相數(shù)據(jù)穩(wěn)定性,使測試結(jié)果更精確。

(2)接收機(jī)動態(tài)范圍:這一參數(shù)決定了射頻分系統(tǒng)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(jī)本身性能參數(shù)指標(biāo)決定。

表1 接收機(jī)的Pmax和Pmin的定義

(3)測試響應(yīng)速度:在射頻分系統(tǒng)中,包括頻率切換時(shí)間、掃描速度和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間等在內(nèi)的測試響應(yīng)速度,直接影響遠(yuǎn)場方向圖測量的速度。選擇測試響應(yīng)速度快的儀表,可以進(jìn)一步提高天線特別是多頻點(diǎn)、多波位天線的測量效率。

(4)儀表型號的通用性:在工程實(shí)踐中,應(yīng)當(dāng)參考用戶現(xiàn)有的儀表型號,最大程度地兼顧測量人員的使用習(xí)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(jù)矢網(wǎng)+射頻信號源+中頻單元+混頻器模式的原理,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是全測試頻段的信號接收設(shè)備,同時(shí)在低頻段可以用作信號發(fā)射源,是方案中所有射頻儀表的基礎(chǔ)和關(guān)鍵設(shè)備,因此主要研究選擇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的型號。

目前行業(yè)內(nèi)比較常用的矢量網(wǎng)絡(luò)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(shù)指標(biāo)和適配性后,選擇是德PNA N5224B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成射頻分系統(tǒng)構(gòu)建。其主要技術(shù)指標(biāo)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(tǒng)動態(tài)范圍:126 dB ～132 dB(3 GHz頻率范圍、10 Hz IFBW時(shí));

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

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

(6)最快掃描速度:5.5 ms(600 kHz IFBW);

(7)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間:<1 ms(32位浮點(diǎn)數(shù),201測量點(diǎn),SCPI模式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸)。

該型號矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有動態(tài)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(yōu)點(diǎn)。同品牌可提供豐富的中頻單元、混頻器和信號源產(chǎn)品,配合使用時(shí)設(shè)備兼容性較好,通訊指令具有相似性,便于軟件編程。同時(shí),需要測量人員對此型儀表有比較豐富的使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

3 系統(tǒng)構(gòu)建與動態(tài)范圍估算

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建

天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)在微波暗室內(nèi)完成設(shè)備構(gòu)建和應(yīng)用,發(fā)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(yuǎn)場測量系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)通用性強(qiáng):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(shù)、極化方式等可以根據(jù)被測天線的不同類型進(jìn)行設(shè)置和調(diào)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(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互;

(4)可擴(kuò)展性強(qiáng):當(dāng)系統(tǒng)硬件設(shè)備發(fā)生變化時(shí),通過對相應(yīng)的軟件功能模塊進(jìn)行重新編程即可完成系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

3.2 動態(tài)范圍估算

當(dāng)被測天線為接收天線時(shí),射頻分系統(tǒng)接收支路的動態(tài)范圍計(jì)算公式如下:

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

根據(jù)式(1)以及各儀器儀表的標(biāo)稱數(shù)據(jù),發(fā)射、接收天線為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭,則動態(tài)范圍的理論估算數(shù)據(jù)如圖7所示,滿足≥80 dB(0.38 GHz～40 GHz)的設(shè)計(jì)要求。

圖7 動態(tài)范圍理論估算

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)適用于現(xiàn)有微波暗室的環(huán)境條件,滿足用戶測量需求。實(shí)際應(yīng)用證明,系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、靈活性高、模塊化、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),對天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有一定的參考意義。