天線測試系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的研究

宋 云

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

在近場或遠(yuǎn)場的條件下，通過控制發(fā)射系統(tǒng)、射頻接收系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺或掃描架，天線測試系統(tǒng)采集被測天線在指定工作頻率接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到天線的方向圖等天線參數(shù)信息。天線測試系統(tǒng)的工作頻率不同，對發(fā)射系統(tǒng)的要求是提供頻率穩(wěn)定、有一定功率的信號。接收機(jī)可以采用具有很高動態(tài)范圍的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜分析儀。轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)要求提供穩(wěn)定性和重復(fù)性好的水平和垂直方向控制能力。常常根據(jù)被測天線和測試場地的特點，對發(fā)射系統(tǒng)和射頻接收系統(tǒng)提出一定的技術(shù)指標(biāo)要求，以滿足天線測試的要求。同時，由于天線測試的影響因素較多，系統(tǒng)的綜合檢測也非常重要。因此，天線測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)射頻發(fā)射系統(tǒng)和射頻接收系統(tǒng)的技術(shù)條件進(jìn)行校準(zhǔn)，同時應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，驗證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 天線測試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

天線測試系統(tǒng)的性能指標(biāo)受到接收和發(fā)射子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)、測量頻段、測量模式以及測量軟件的綜合影響。本文討論的某天線測試系統(tǒng)，其連接圖見圖1。測試場地為戶外的滿足遠(yuǎn)場測試條件的場所，且測試場地的測試條件已經(jīng)得到驗證。

系統(tǒng)的性能指標(biāo)應(yīng)考慮如下:

(1）系統(tǒng)頻率范圍

系統(tǒng)頻率范圍在100 MHz～18 GHz。

(2）系統(tǒng)線性動態(tài)范圍

天線測試系統(tǒng)中將接收機(jī)接收到的主瓣最大電平值和接收機(jī)的為測試讀數(shù)的峰-峰值小于某一個固定值(如＜1.5 dB）的差值定義為接收機(jī)的線性動態(tài)范圍。當(dāng)信噪比下降時，接收機(jī)仍然可以檢測到信號的變化，但是測量的讀數(shù)受到噪聲的影響而產(chǎn)生較大的起伏。根據(jù)天線的特點，一般系統(tǒng)線性動態(tài)范圍達(dá)到60 dB 即可滿足天線遠(yuǎn)場測試的需求。

圖1 天線測試系統(tǒng)測試連接圖

(3）系統(tǒng)線性度

系統(tǒng)線性度為＜0.2 dB/10 dB。

2 天線測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法

天線測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)主要包含三大部分，一是發(fā)射子系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，二是射頻接收子系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)，三是天線測試系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)。

2.1 發(fā)射子系統(tǒng)

發(fā)射子系統(tǒng)包括發(fā)射信號源、發(fā)射天線。發(fā)射信號源的校準(zhǔn)依據(jù)JJG173-2003《信號發(fā)生器檢定規(guī)程》，校準(zhǔn)項目包括頻率準(zhǔn)確度、最大輸出功率、絕對電平準(zhǔn)確度、相對電平準(zhǔn)確度、諧波、分諧波、非諧波、載波的剩余調(diào)幅和剩余調(diào)頻等指標(biāo)，其校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)在信號源技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。

2.2 射頻接收子系統(tǒng)

射頻接收子系統(tǒng)包括接收機(jī)、本振源、中頻/本振單元以及測試/參考混頻器等，其中接收機(jī)是射頻子系統(tǒng)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A 作為測試接收機(jī)。依據(jù)GJB/J3608-99《自動網(wǎng)絡(luò)分析儀檢定規(guī)程》，校準(zhǔn)項目為內(nèi)部源的校準(zhǔn)、測試端口S 參數(shù)和系統(tǒng)測試指標(biāo)，其校準(zhǔn)指標(biāo)應(yīng)符合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要技術(shù)要求。

天線測試的射頻接收子系統(tǒng)通過外混頻、中頻接收的模式工作，0.3～3 GHz為外混頻方式，2～18 GHz為外混頻基波方式。射頻接收子系統(tǒng)包含2 對混頻器，即0.3～3 GHz 頻段以及2～18 GHz 頻段的測試和參考混頻器。根據(jù)被測天線的工作頻率，選用不同的混頻器，系統(tǒng)的其他儀器連接方式不變。

天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)的射頻接收子系統(tǒng)，其有效測量范圍(信號電平）和變化值決定了被測天線與幅度值相關(guān)的電性能。射頻接收子系統(tǒng)主要參數(shù)為線性度和線性動態(tài)范圍。

將射頻子系統(tǒng)按照系統(tǒng)連接圖連接后(與現(xiàn)場連接相同），根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)所確定的功率，在不同頻率下，通過調(diào)節(jié)衰減器，測試接收機(jī)在不同信號強(qiáng)度時的信號變化的線性度范圍和峰-峰值變化，即為可用動態(tài)范圍。

在實際天線測試中，依據(jù)該可用動態(tài)范圍，確保被測天線最大副瓣接收信號處于此范圍內(nèi)，而峰-峰值的變化即為接收信號的變化。這實際上確定了天線測試過程中被測天線波束峰值、最大副瓣峰值的最大變化值。

射頻接收子系統(tǒng)測試連接圖見圖2。信號源輸出的信號進(jìn)入功分器，分成兩路，一路進(jìn)入?yún)⒖蓟祛l器，另一路進(jìn)入可調(diào)衰減器?？烧{(diào)衰減器輸出的信號進(jìn)入測試混頻器。測試混頻器通過電纜和中頻/本振單元傳遞測試通道的中頻信號和本振信號。參考混頻器通過電纜和中頻/本振單元傳遞本振信號、中頻信號和本振功率檢波信號，中頻/本振單元將放大后的測試通道和參考通道的中頻信號經(jīng)電纜送入接收機(jī)后面板的B和R1中頻直接接入端口。接收機(jī)的參考晶振輸出接入信號源的參考晶振輸入端，接收系統(tǒng)共享同一個晶振。

圖2 射頻接收子系統(tǒng)測試連接圖

信號源頻率設(shè)為0.3 GHz，－20 dBm，可調(diào)衰減器設(shè)為0 dB，此時用功率計讀取測試混頻器和參考混頻器輸入端的功率值，記錄測試值。重新連接好測試混頻器和參考混頻器輸入端的電纜，10 倍步進(jìn)調(diào)整可調(diào)衰減器的衰減量，減小測試通道信號的功率電平，在接收機(jī)上讀取測試結(jié)果。同時，記錄接收機(jī)讀數(shù)的峰-峰值，分析射頻接收子系統(tǒng)的線性度范圍。當(dāng)測試通道信號電平步進(jìn)減小直至接收機(jī)系統(tǒng)線性區(qū)(如峰-峰值超過1.5 dB）后，線性度和系統(tǒng)線性動態(tài)范圍測試即可完成。

改變信號源頻率分別為1.0、2.0和2.8 GHz。重復(fù)上述過程，測試射頻接收子系統(tǒng)的線性度和系統(tǒng)線性動態(tài)范圍。測試結(jié)果見表1。

2～18GHz 范圍內(nèi)的射頻接收子系統(tǒng)的線性范圍和靈敏度的測試需要更換2～18 GHz測試混頻器和參考混頻器，設(shè)置頻率分別為2.5、4、8、12、15和18 GHz。重復(fù)上述測試過程，測試射頻接收子系統(tǒng)2～18 GHz 范圍內(nèi)的線性度和系統(tǒng)線性動態(tài)范圍。測試結(jié)果見表2。

表1 0.3～3 GHz 射頻接收子系統(tǒng)測試結(jié)果

表2 2～18 GHz 射頻接收子系統(tǒng)測試結(jié)果

上述測試結(jié)果表明:針對天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)對射頻子系統(tǒng)的需求，射頻子系統(tǒng)方案設(shè)計時的線性度和系統(tǒng)線性動態(tài)范圍在18 GHz 以下頻率范圍，滿足天線測試要求。

2.3 天線測試系統(tǒng)的整體性能校準(zhǔn)

本天線測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺為極化轉(zhuǎn)臺和方位/俯仰轉(zhuǎn)臺構(gòu)成的三維轉(zhuǎn)臺，由一臺控制器統(tǒng)一控制，可以手動(面板）和電動(計算機(jī)）控制。轉(zhuǎn)臺的技術(shù)參數(shù)主要包括載重能力、旋轉(zhuǎn)角度范圍、最大旋轉(zhuǎn)速度和重復(fù)定位精度等。三維轉(zhuǎn)臺的角度重復(fù)定位精度:極化轉(zhuǎn)臺為± 0.02°，方位轉(zhuǎn)臺為± 0.03°，俯仰轉(zhuǎn)臺為±0.04°。其中水平方向重復(fù)定位角度精度是轉(zhuǎn)臺最重要的參數(shù)指標(biāo)，它確保了天線測試的最大波束指向的重復(fù)性(或誤差）。

天線測試系統(tǒng)測量軟件包括系統(tǒng)控制軟件、天線采集/分析軟件以及信號源、接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺控制器等的驅(qū)動軟件。標(biāo)準(zhǔn)天線分析功能包括天線方向圖峰值和指向、波寬以及副瓣和位置，方向性系數(shù)或增益，單脈沖和差方向圖，園極化方向圖和軸比，直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)方向圖和數(shù)據(jù)列表，掃描統(tǒng)計，以及分析比較等。

為了驗證天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，主要測試天線峰值電平、波束指向、波束寬度、副瓣電平、副瓣位置的重復(fù)性。采用1.5 m 柵條天線測試天線方向圖，驗證指標(biāo)為方向圖的重復(fù)性，包括波束峰值和指向、3 dB波束寬度等。波束指向和3 dB波束寬度的重復(fù)性也間接驗證了轉(zhuǎn)臺的水平方向重復(fù)定位角度精度。測試結(jié)果見表3，頻率測試點測試數(shù)據(jù)重復(fù)性統(tǒng)計見表4。測試結(jié)果顯示該天線測試系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

表3 各頻率測試點平均數(shù)據(jù)值

表4 各頻率測試點測試數(shù)據(jù)重復(fù)性統(tǒng)計

3 結(jié)束語

本文討論的天線測試系統(tǒng)包括了射頻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)和軟件控制、測量和分析。通過對天線測試系統(tǒng)的分析研究，射頻系統(tǒng)接收機(jī)具有較好的線性動態(tài)范圍和線性度，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性，軟件系統(tǒng)功能完整，可以滿足無源天線的測試。

在天線測試場地確定的情況下，對天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)射子系統(tǒng)、射頻接收子系統(tǒng)、天線測試系統(tǒng)整體性能校準(zhǔn)，滿足天線測試系統(tǒng)校準(zhǔn)需求，確保該天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)在完成校準(zhǔn)后可以完成天線性能指標(biāo)測試。

［1］齊巖，等.天線測試平臺系統(tǒng)設(shè)計與安裝［J］.計測技術(shù)，2009(2）.

［2］李福劍，李彥文.天線測試中的誤差分析［J］.艦船電子對抗，2007(1）.

［3］王小強(qiáng).基于矢網(wǎng)的天線饋源自動測量系統(tǒng)//第十九屆測控、計量、儀器儀表學(xué)術(shù)年會(MCMI’2009）論文集，2009.