网络分析仪测天线S参数应用实例

 

　　1 概述

　　在微波探测系统中，通常天线都是系统自动控制环路的闭环点。天线作为一个收/发控制系统的重要组成部分，其性能的优劣，将直接影响到全系统的检测能力和探测精度。在实际使用中，对天线的电特性参数及组成部分 的各种微波装置(如高频电缆等)的散射参数，例如天线的匹配特性、天线阻抗、微波装置的反射特性和传输特性参数等都要进行严格的检测。而要准确的对天线及其组成部分微波装置的参数进行测试，采用网络分析仪无疑是最佳的途径。由于篇幅有限，本文只探讨网络分析仪在天线S参数测试方面的应用情况。

　　2. 天线S参数测试系统的设计

　　网络分析仪是用来刻划有源和无源器件各种特性的，这些器件可以是单端口的，也可以是双端口或多端口的。网络分析仪可以测量每个端口的输入特性及一个端口到另一个端口的传输特性。

　　网络分析仪，不管是标量网络分析仪还是矢量网络分析仪，测量电网络参数时都依赖二极管检波技术(宽带)或超外差接收技术(窄带)。窄带检测适合于相位测量和评估频率抑制器件如滤波器等。宽带检测更适合于测量频率转换器件如调谐器等的特性，特别是那些具有内部本振的器件。

　　相对于二极管检波，利用调谐接收机可以提供测量时的高接收灵敏度和宽动态范围，同时具有较好的谐波和寄生信号的抑制功能。但带宽只有几KHz的数量级。

　　本文应用矢量网络分析仪和标量网络分析仪两种设备，分别设计了两种天线S参数的测试系统。

　　2.1 矢量网络分析仪测试系统的设计

　　矢量网络分析仪是功能最强大的一种网络分析仪，可以测量的频率范围为：5Hz-110GHz。矢量网络分析仪可以测量电网络完整的幅值特性和相位特性，包括：S-参数的幅值和相位、驻波比( SWR)、 插入损耗、衰减、 群延迟、 回波损耗、 反射系数和增益压缩。矢量网络分析仪一般由合成扫频信号源、两个测试端口(含信号分离部件)、多通道、相位相干、高接收灵敏度的调谐接收机组成。矢量网络分析仪是一种高集成度的测量仪器，所需的外部配置较少，主要是各种校准器，包括开路器、短路器、匹配负载、转接电缆以及连接被测件所需的转换装置。

　　安立公司生产的37300系列微波一体化矢量网络分析仪将合成扫频信号源、锁相接收机和S参数测试装置有机地结合在一台仪器中，具有两个测试端口、四个接收通道。不仅可以快速、精确地测量被测件S参数的幅度、相位和群延迟特性，还可测量微波器件的绝对输出功率。

　　2.1.1 矢量网络分析仪的组成

　　该测试系统由一台37347D矢量网络分析仪及其相关的校准组件构成。主要包括：

　　a) 矢量网络分析仪 37347D

　　b) 校准箱 3650

　　开路器

　　短路器

　　3.5mm同轴校准件

　　2cm波导校准件

　　c) 时域功能 3700/A

　　d)下扩频 SM6164

　　e) 稳相电缆： 3671a50-1

　　f) 各种转换器\

　　g) 测试中必须的非标零件

　　过渡波导

　　波导同轴转换器

　　专用波导负载Ⅰ

　　专用波导负载Ⅱ

　　专用波导同轴转换Ⅰ

　　专用波导同轴转换Ⅱ

　　h) 产品支架

　　i) 吸波材料及支架

　　j) 打印机。

　　2.1.2 测试系统组成见图1

　　测试系统中包含了部分非标器件作为测量辅助设备，其作用是完成各非标准接口被测件非标准接口到标准接口的转换，从而满足与标准测试接口的连接。此外，还必须配置各种夹具及固定件等。为满足天线的开场测试要求，必须配置吸波材料板和支架。

　　

 

　　图1 矢网系统的原理框图

　　2.2 标量网络分析仪测试系统设计

　　标量网络分析仪是一种性能价格比很高的网络分析仪，通常用于生产线上检测被测件的外部特性。标量网络分析仪只能测量S参数的幅值，相应的参数包括：传输增益(传输损耗)、回波损耗、驻波比(SWR)等。不同于矢量网络分析仪，标量网络分析仪没有集成信号分离部件，所以标量网络分析仪需要外配信号分离部件，如：功率分配器、方向耦合器、方向电桥。标量网络分析仪也没有类似矢量网络分析仪的超外差调谐接收机，而是利用外部的二极管检波方式。所以标量网络分析仪需要外配检波器。完整的测量系统还应包括校准件、连接电缆、衰减器、转接器和连接被测件的各种转换装置。

　　安立公司生产的54147A标量网络分析仪由内部扫频合成源、两个标准测量通道A和B、一个参考通道R组成(用于比值测量)。可以测量被测件的传输增益(传输损耗)、回波损耗、驻波比(SWR)、群延迟、输出功率等。

　　2.2.1 标网分系统的组成

　　a) 合成扫频信号源 MG3692A;

　　b) 标量网络分析仪 54147A;

　　c) 微波精密检波器 560-7S50B;

　　d) 同轴功率分配器 K240B;

　　e) 波导高方向性定向耦合器 HD-180WC3/20;

　　f) 波导型环行器 HD-180CIC1/2;

　　g) SWR自动测试器 560-98SF50-1 ;

　　h) 源电缆 NS120MF-6;

　　j) 电缆组件 85022At;

　　k) 3dB衰减器 41KB-3;

　　m) 各种校准器

　　同轴短路/开路器 HD-180OSSJJ，

　　同轴负载 HD-CL1.15SJ 、HD-CL1.05SJ，

　　同轴精密负载 28SF50，

　　波导短路器 HD-180WS，

　　波导匹配负载 HD-180WL1.03 ;

　　n) 各种转换器

　　同轴转换器 K220B 、HD-3.5S50KJ、 HD-3.5S50KK 、HD-3.5S50JJ，

　　波导同轴转换器 HD-180WESMAK/J、HD-180WSMAK/J;

　　p) 升降平台式波导支架;

　　q) 吸波材料及支架;

　　r) 绘图仪 DJ-500。

　　2.2.2 标网分系统的组成框图源

　　

 

　　高方向性定向耦合器 高方向性定向耦合器

　　图2 天线电特性参数测量系统框图

　　2.2.3 实际配置图见图3

　　

 

　　图3 标网测S参数的实际配置

　　3测试系统的技术指标

　　3.1矢网分系统的主要性能指标

　　a) 频率范围：50MHz～20GHz;

　　b) 动态范围：105dB;

　　c) 频率分辨率：1Hz;

　　d) 幅度分辨率：0.001dB/div;

　　e) 幅度准确率：0.1dB;

　　f) 相位分辨率：0.01o/div;

　　g) 相位准确度：0.5o。

　　3.2 标网系统的主要性能指标

　　a) 频率范围：10MHz～20GHz;

　　b) 动态范围：71dBm (+16dBm～-55dBm);

　　c) 幅值测量误差：±0.11dB;

　　d) 检波器输入(2个标准输入，1个参考通道R);

　　e) 显示通道 (可以自选最多可达2通道彩色显示);

　　f) 测量点数 可以选值为101、201、401点;

　　g) 绘图仪/打印机缓冲器;

　　h) 自适性归一化处理。

　　3.3 被测产品的主要技术指标

　　a) 各通道输出端的电压驻波系数;

　　b) 波导管的电参数：

　　1) 电压驻波系数

　　2) 插入损耗

　　d) 通道损耗

　　e) 通道之间收发隔离度

　　说明：在该测试分系统中，为了顺利、合理的完成天线各项指标的测试，必须要配有满足产品调试及足够生产使用的各种非标准设备，主要有波导转换器、波导负载、卡子等。波导转换器用于天线和测试系统的连接。在调试过程中，天线相关输出波导口都需要有负载连接。另外，为满足天线的开场测试，应在天线的前方约±400立体角范围，距离天线1～2米处张贴吸波材料，在600范围的材料的反射不大于-40dB，而且必须满足防火要求。

　　4 测试系统的维护与校准

　　4.1 测试系统的可维护性

　　本系统采用分立系统结构。同轴部件采用SMA接头方式连接，波导部件采用波导夹连接，各支架及支撑座采用可调节式，操作简单方便，便于安装和拆卸。

　　4.2 测试系统的校准

　　为保证测试的准确，在测试时，应对矢量网络分析仪和标量网络分析仪进行校准。本系统配置了满足校准要求的各种校准部件，供测试时使用。此外，根据网络分析仪使用要求，应定期到专门机构进行仪器校准。时间为每年一次。

　　5.结论

　　以上两个测试系统已经用于对实际产品的测试，标量网络分析仪组成的测试系统三年前投入使用，矢量网络分析仪组成的测试系统去年投入使用。这两种测试系统共计测试过5种天线、30种电缆及相关微波配件的电特性及S参数，共计3000余件产品。通过对大量产品的测试表明，这两种测试系统工作稳定、操作方便完全能满足产品测试的实际要求。