【解读NTN④】从测试角度透视相控阵天线测试（上）

PART-01

 

前言

相控阵天线已广泛应用于移动通信和卫星通信，在OTA暗室中使用矢量网络分析仪进行校准、无源和有源测试已经较为成熟。但对于内置本振的相控阵由于输入输出频率不一致且本振无法接入，常规测试方法无法进行稳定的幅相测试。本期将介绍一种新颖的测试方法，该方法巧妙使用R&S ZNA 矢网输出双音信号对内置本振的相控阵天线进行近场测试。

 

相控天线阵面的集成度越来越高，有些阵面将收发上下变频单元也直接集成在阵面中且变频单元的本振源也一同集成在阵面中，这导致常规矢网无法进行稳定幅相测试。而在相控天线的近场测试中，我们必须通过测得天线近场的幅相分布数据才能进行近场到天线远场特性的转换。针对这一业界难题，罗德与施瓦茨（R&S）结合R&S ZNA矢网内部多激励相参源与双数字接收机架构提出双音法进行内置本振相控阵天线近场测试的新方法。
 

PART-02
 

内置本振天线接收单元的特点

对于一个集成本振的天线接收单元来说（如下图所示），具有以下特点：内置本振、本振无法使用线缆输入或输出。因此，天线输出信号的相位随着天线接收激励信号相位和本振相位的变化而变化。由于本振信号的相位未知且可能不稳定随时间漂移，矢网输入fRF时我们只能得到天线接收信号的相位，而无法得知本振相位的变化。这就对我们的测试提出了新的挑战：如何去除本振带来相位影响？

 

PART-03
 

解决方法

借助两个测试天线，其中一个天线固定位置不动，另外一个天线作为天线近场测试的探头天线在待测天线的近场进行扫描移动。然后，结合R&S ZNA独有的双音法混频测试的技术，可以解决上述问题。测试框图如下：
 

使用ZNA的两个端口发出两个频率相近的信号f1和f2，分别送给两只天线，之后，两只天线发出的信号由同一个阵面天线进行接收，那么此时该接收阵面天线接收到的信号为一个双音信号，同时这两个信号分别与内置的本振进行混频，接收阵面输出频率为f1-fLO和f2-fLO的双音信号。
 

该方法不是直接测量阵面天线输入和输出之间的相位，而是使用ZNA测量双音信号的两个音之间的相位差。分别测试阵面天线的输入端和输出端的双音相位差值。使用公式(1)和(2)，ΔΦ为天线阵元输出端双音相位的差值减去输入端的差值。在被测天线的视轴位置，ΔΦ被归一化为零。此后，当探头天线在待测阵面天线空间近场移动时，ΔΦ的相对测量结果反映了待测阵面天线的近场相位变化。
 

此时，对于天线接收阵面，相位的变化如下式：

（1）

 

注意到上式中的两个ΦLO可以消去，可以简化为：

 

（2）

 

上式中φ1in和φ2in均由ZNA给出，而Φ1out和Φ2out均输入回ZNA。

 

可以观察到，本振的相位偏差（公式(1)中的φLO）对阵面天线的两个下变频载波具有相同影响，因此本振的变化在公式(1)中相互抵消，最终得到公式(2)。因此，通过这种双音比较的方法，由嵌入式本振相位引起的偏差对测量的准确性和稳定性几乎没有影响。