基于矢量网络分析仪的天线近场测试方案

在天线设计中，对其参数的测试和验证是不可或缺的过程。而近场测量的原始数据需要包含幅度相位信息，矢量网络分析仪则是主要测试仪器设备。

【导读】在天线设计中，对其参数的测试和验证是不可或缺的过程。而近场测量的原始数据需要包含幅度相位信息，矢量网络分析仪则是主要测试仪器设备。

天线近场测试

在天线设计中，对其参数的测试和验证是不可或缺的过程。而近场测量的原始数据需要包含幅度相位信息，矢量网络分析仪则是主要测试仪器设备。

该案例，基于成都玖锦的矢量网络分析仪VNA1000A，设计了天线近场测量方案。

1 天线测量技术概述

天线作为通讯、雷达等应用领域的重要组成部分，其参数的测试和验证是天线设计过程中不可或缺的过程。

天线测试的主要内容是测量天线的电参数、辐射参数，以评价天线的性能。根据天线的尺寸、辐射特点，天线测试方法主要有远场测试、近场测试、紧缩场测试等。

图1 近场和远场区域天线辐射波瓣图

天线远场测试技术是最早出现并发展成熟的。

远场测量时，源天线和待测天线（AUT）之间的距离R大于2D²/λ ，此时，从源天线按球面波前到达AUT的边缘与AUT中心的相位差小于 π/8，（相当于 λ/16 的波程差）。

源天线发射信号，通过空间辐射，由AUT接收信号。AUT通常放置于精密转台上。在经过相应的校准之后，通过比较发射和接收信号的电平，就得到AUT的增益和辐射波瓣图。

在需要相位信息的场合，可通过矢量网络分析仪测量并比较源天线辐射的信号与AUT接收信号的幅度相位。

源天线和AUT可以根据需要放置于微波暗室或外场。

远场测量的优点在于：

（1）测量方法简单，结果直观。通过简单的校准、运算即可得到所需测量结果；

（2）任何距离测量的场波瓣都是有效的，仅需要对场强按1/R进行简单的变换；

（3）测量结果对于天线的相位中心的位置变化不太敏感，因而旋转待测天线并不会导致明显的测量误差；

（4）待测天线与源天线之间的耦合和多次反射对测量结果的影响可以忽略。

IEEE 标准 IEEE-Std-149-1979 规定了天线远场测量的场地和测量设置。

远场测试技术虽然最早成熟，但是由于其对大测试场地和电磁环境的特殊要求，测试非常不方便，人们一方面用紧缩场产生平面波来模拟无线长度的场地，另一方面则是用近场测试代替远场测试。

近场测量的原理是在一个面上采集待测天线近场数据，然后通过近远场变换算法，得到待测天线远场辐射特性。根据取样面的形式,可分为平面扫描、极平面扫描、柱面扫（找元器件现货上唯样商城）描和球面扫描技术，平面近场测量使用最为普遍。近场测量的原始数据需要包含幅度相位信息，仪器设备主要是矢量网络分析仪，或测量接收机、信号源等组成。

平面近场扫描测试天线（探头）在直角坐标或极坐标平面做位移，测量近场幅相分布，以此为基础进行外推计算远场天线方向图、增益等参数。探头天线位于AUT的辐射近场，扫描平面距离AUT面大约几个波长。

图2 直角坐标、极坐标平面扫描

近场扫描技术的优点如下：

(1) 理论严格:包含探头特性的全部数据都被表示为麦克斯韦方程精确解的线性组合,而未引入小角度,标量绕射等近似解。

(2) 精度高:消除了远场测量的近距效应,各种误差源可以检测并补偿,信噪比高,重复性好。

(3) 信息量大:一次扫描可获得整个空间全部信息,如幅度、相位、极化、三维方向图等。

(4) 诊断功能:通过重建口径场,可以发现常规远场测量难以发现的故障。对相控阵天线，通过诊断测试对AUT口径面存在的失效、超差、误码等进行识别、标定，为更换器件修正通道误差提供依据。

近场测量中，不准确的探头定位、反射、电缆移动、接收机非线性、探头校准误差、有限的扫描域等因素影响测量的精度。因此，从技术的角度，近场测量技术的复杂程度高，对扫描架精度，仪器的稳定性有较高的要求。

2 天线近场测试方案

天线近区场测量的基本项目与功能如下：

（1） 无探头修正近远场交换

（2） 有探头修正近远场转换

（3） 近场口径变换、诊断

（4） 增益计算

（5） 副瓣分析

（6） 极化分析

（7） 和差方向图

（8） 方向性分析

根据测量频段和实际需求的不同，近场测试分为非变频的直接测量和变频测量两种方法。非变频测量时，矢量网络分析仪直接在射频微波的高频上进行收发测试，主要适用于频率相对比较低，传输线损耗比较小的应用。如C波段、S波段。而在高频段，尤其在18GHz以上测量传输线的损耗大，在扫描过程中线缆的相位波动明显。此时天线接收的信号一般需要先变换到中频，再由传输到矢量网络分析仪进行测量处理，避免了高频段长距离传输带来的损耗，以及在扫描过程中的相位波动。

2.1 直接测量方案

直接测量方案由成都玖锦的矢量网络分析仪VNA1000A、扫描支架、近场测试探头、待测天线支架、主控PC、扫描控制器以及微波暗室组成。将待测天线AUT作为发射端，测试探头作为接收端（可根据实际情况变换）。VNA1000A的一个端口发射信号，另一端口作为接收端口。在各扫描点测量接收信号b和发射信号a的比值（幅度，相位）。在必要的情况下，可以用功率放大器将发射信号放大，在接收天线后采用低噪声放大器提高系统灵敏度。

通过自动测试软件控制扫描控制器、探头极化方式、仪器状态和测量结果采集、计算和输出结果等。

图3近区场测量的非变频方案

2.2 变频测量方案

变频测量系统由成都玖锦四端口的矢量网络分析仪VNA1000A、各频段测量波导探头、混频器、定向耦合器、功率放大器、功率分配器、主控计算机以及相应的测控软件、数据处理软件等组成。如图4所示。

图4 近区场测量的变频方案

将待测天线作为发射端，而探头作为接收端（注：可以根据具体情况进行收发转换）。在发射端，由VNA1000A产生信号（如需要可增加功率放大器，将测试频段的输出功率放大到所需的电平）通过定向耦合器耦合部分功率作为参考信号，输入至网络分析仪，在高频段（如：X波段以上）为了减少路径损耗和路径相位的变化，参考信号通过混频变化为较低的频率（中频）输入至网络分析仪。网络分析仪的接收通道可以自由设定接收机的频率至中频。

本振信号由VNA1000A网络分析仪第二个独立的源产生，经过功率分配器等分两路，放大到足够的电平，供参考支路和接收支路混频器作为本振信号。

接收端通常由波导探头作为接收天线，通过混频器将接收信号变换为中频信号送至VNA1000A网络分析仪的接收通道。

网络分析仪比较参考信号和接收信号的幅度和相位，通过对系统的校准从而得到天线近区场的幅度和相位。

VNA1000A的工作可以设定为扫频、点频、步进扫频、列表模式，可以快速测试多频点的多通道的数据。与机械扫描方式相配合，可以完成近区场的完整的扫描测试。

3 天线测量处理软件

软件主要负责近场和远场测量的各种仪表设备的自动控制、数据采集、处理等工作。

软件功能包括但不限于控制扫描架；控制转台的方位、俯仰轴的起止角度和转动速度；控制待测天线状态（极化方向），对相控阵而言，控制TR单元的状态；控制矢量网络分析仪进行近场信息采集、自动选择测试模式（点频或扫频模式下的测试频率、信号源功率等）、自动读取方向图的电参数特性（如3dB波束宽度、副瓣电平、前后比、电下倾角等）；进行近场-远场推算；输出的方向图等结果，显示、打印、绘图输出。

图 5 天线方向图（极坐标、直角坐标）

图6 波束比较处理

图7 场分布、波瓣立体显示

图8 近场数据曲线

4 实测数据

某天线厂家实际应用测试情况反馈如下：成都玖锦的矢量网络分析仪VNA1000A接收机底噪在-120dB左右，性能良好，满足测试需求，尤其是相位稳定度，在对比测试中一直优于某国际品牌。测试对比结果见下图:

图9 近场数据曲线

5 矢量网络分析仪介绍

成都玖锦自主研发的VNA1000A是一款高性能的矢量网络分析仪，具有优良的测试动态范围、分析带宽、相位噪声、幅度精度和测试速度；该设备提供单端口、响应隔离、增强型响应、全双端口等多种校准方式，内设对数幅度、线性幅度、驻波、相位、群时延、Smith圆图、极坐标等多种显示格式，外配USB、LAN、GPIB、VGA等多种标准接口，具有传统矢量网络分析仪的全部测量功能，能精确測量微波网络的幅频特性、相频特性和群时延特性。

VNA1000A的主要特点如下：

01 四个内部相位相参信号源，八个真正并行测量的接收机：

VNA1000A矢量网络分析仪组合了四个内置的相位相参信号源及八个真正并行测量的接收机，可以提供高达50GHz的完美四端口解决方案。一次连接可完成几乎所有的线性测试和非线性测试，为进行广泛的测量提供了强大的硬件支撑。

02 高动态范围：130dB（典型值）,迹线噪声优于0.001dB,测量精度高：

VNA1000A矢量网络分析仪采用混频接收的设计理念，有效的扩展了整机的测试动态范围，以满足您对大动态范围的测试需求；优异的迹线噪声指标极大地提高了整机的测试精度，可满足用户精确測量的需要，特别有助于小插损器件的精确测量。

03 校准类型灵活可选，兼容多种校准件：

VNA1000A矢量网络分析仪可使用机械校准件进行直通响应校准、直通响应与隔离校准、单端口校准、增强型响应校准、全双端口TOSM校准、TRL校准等多种校准类型，可根据实际测试需要选择N型、同轴3.5mm.2.4mm等多种校准件，方便不同接口类型器件的测试。

04 支持多窗口、多通道测量，快速执行复杂测试方案：

VNA1000A矢量网络分析仪具有多通道和多窗口显示功能，最多支持64个通道，最多可同时显示32个测量窗口，每个窗口最多可同时显示20条測试轨迹，具有对数幅度、线性幅度、驻波、Smith图等多种显示格式，使观测结果更加直观，用户使用方便。

审核编辑：汤梓红