低增益GPS天線方向圖的微波暗室測試方法＊

賈耀成，張景鵬，鄭少超

（西安機電信息技術研究所，西安710065）

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning Systen，GPS）是通過接收衛(wèi)星信號進行定位和導航的．衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)里的第一環(huán)節(jié)就是接收天線（GPS天線），而且GPS定位系統(tǒng)獲取衛(wèi)星信號的能力、定位的精確度、接收信號的穩(wěn)定性等都與接收天線（GPS天線）的技術參數(shù)息息相關［1］．經(jīng)過對GPS天線技術參數(shù)的測試，可以充分確認GPS天線在特定應用場合各技術參數(shù)的合理性和正確性．所以對GPS天線技術參數(shù)的測試是天線設計和調(diào)整的重要手段［2］．

GPS天線因使用場合不同，增益相差很大．一般用于車載、船載和基站等場合的GPS天線（外置天線），因其外形體積沒有太大的限制（天線體積在50cm×50cm～100cm×100cm），所以緊附在天線之后的低噪聲放大器功率增益就可做得較大（一般在20～50dB之間甚至更大），天線輸出端信號功率可以達到-80dBm以上，該信號功率電平與天線測試系統(tǒng)內(nèi)用于反映被測天線輸出端信號強度的場強信號接收機靈敏度（一般在-80dBm左右）［3］相匹配，測試場地可選擇在室外也可選擇室內(nèi)．受自身體積的限制，許多小設備的內(nèi)置式小型微帶GPS天線（內(nèi)置天線）后的低噪聲放大器功率增益只有10dB左右，天線輸出端信號功率在-120dBm以下，該類天線一般稱為低增益GPS天線．因體積小，一般不選擇外場而是選擇在微波暗室這樣的測試場中完成該類天線的測試．隨之帶來的問題是：在微波暗室對該類低增益GPS天線進行測量時，由于受測試條件和待測天線附帶放大器增益和輸出信號動態(tài)范圍的限制，由GPS衛(wèi)星接收天線直接饋送給場強測量接收機的信號功率電平無法達該設備低靈敏度要求值，即就是在被測GPS天線輸出端與后端場強信號接收機之間存在約40dB的信號差，使得所測得的信號電平無法通過場強信號接收機及數(shù)據(jù)處理終端判讀．因此使用常規(guī)GPS天線測試方法就不能完成類似低增益GPS天線方向圖的測試．因此本文提出了一種低增益GPS天線方向圖的微波暗室測試方法．

1 常規(guī)GPS天線的測試方法

1．1 GPS天線的分類

常規(guī)GPS天線被稱其為外置天線．小增益微帶GPS天線被稱其為內(nèi)置天線．其中小增益GPS天線外形如圖1所示．

圖1 小增益GPS天線外形Fig．1 The shape of low-gain GPS antenna

1．2 常規(guī)GPS天線的測試方法

常規(guī)GPS天線的測試方法［4］如圖2所示．圖2中常規(guī)GPS天線的總體測試架構類似于普通無源天線，主要變化是需要增加一個天線隔離器，把DC／DC直流信號隔離，使其不能輸入到測試系統(tǒng)，同時又給GPS天線供電．無源天線測量系統(tǒng)中，待測天線與標準天線滿足收發(fā)互易原理［4］，即天線的電參數(shù)不因它工作于發(fā)射狀態(tài)或接收狀態(tài)而異，什么場合下待測天線工作于發(fā)射狀態(tài)，什么場合下工作于接收狀態(tài)，都可根據(jù)測試內(nèi)容及測試環(huán)境條件的方便程度而定，即待測天線無論是作為發(fā)射天線還是作為接收天線，均可獲得同等的測試結果．

圖2 常規(guī)GPS天線的測試方法Fig．2 Conventional test method of the GPS antenna

無源天線是天線內(nèi)部自身不帶工作電源，而有源天線是天線內(nèi)部自身帶有工作電源以供低噪聲增益放大器用．而在有源天線的測量系統(tǒng)中，被測天線只能位于接收端，與發(fā)射源天線之間不滿足收發(fā)互易原理GPS天線屬有源天線，內(nèi)含有低噪聲增益放大器，工作模式為純接收方式．

對GPS天線進行測試時需對測試系統(tǒng)進行相關特殊設置，使天線探頭從原來的接收狀態(tài)改為發(fā)射狀態(tài)，GPS天線接收信號后，經(jīng)射頻再傳給后級網(wǎng)絡分析儀作數(shù)據(jù)處理．在進行天線測量之前，應對發(fā)射與接收回路之間的電信號通道進行估算，預估出到達場強信號接收機輸入端的信號強度［5］

式中：Pr為場強信號接收機輸入端的信號功率；P0為發(fā)射天線的輸入功率；Gt為發(fā)射天線的增益；Gr待測天線的增益；R為收發(fā)天線的距離；λ為工作波長；N為待測天線的副瓣電平．

為了確保測試精度，一般應使最大接收功率電平大于接收機低靈敏度約20dB左右．

對外置GPS天線測試進行時，只需要在測試系統(tǒng)的信號接收回路中的天線轉臺支路上使用一個天線隔離器，解決被測GPS天線供電及直流信號隔離問題．在測試鏈路中被測天線體積沒有限制，緊附在其后的低噪聲放大器功率增益可以較大，這樣發(fā)射與接收回路之間的信號電平關系就會滿足式（1）的要求且有20dB左右的余量．

1．3 接口轉換裝置

由于低增益GPS天線的性能測試中出現(xiàn)了由于被測GPS天線附帶放大器動態(tài)范圍的限制，使輸出信號的功率無法達到微波暗室場強接收機所要求的功率電平．因此，需要在測試時對測試系統(tǒng)進行相關特殊設置，即加裝天線接口轉換裝置［6］．為解決微波暗室場強接收機靈敏度不足和被測GPS天線與后級設備之間的阻抗匹配等問題，文獻［5］提出了接口轉換裝置［6］，其主要作用是

1）將輸入到場強信號接收機端口的信號功率電平提高到所需的量值范圍（-80dBm以上）；

2）解決了被測GPS天線與場強信號接收機之間的阻抗不匹配問題．接口轉換裝置的輸入阻抗與被測GPS天線的輸出阻抗必須嚴格相等；接口轉換裝置的輸出阻抗與場強信號接收機的輸入阻抗嚴格相等，這樣就保證了整個信號測試回路的駐波為最低；

3）將天線供電、隔離功能由原來的被測天線與測試轉臺支路轉移至被測天線與場強信號接收機支路，替代了原常規(guī)GPS天線測試接收回路里的天線隔離器．

2 低增益GPS天線方向圖的微波暗室測試方法

在微波暗室進行低增益GPS天線性能參數(shù)測試的方法如圖3所示．

圖3所示的低增益GPS天線微波暗室測試系統(tǒng)包含有信號發(fā)射回路和信號接收回路．信號發(fā)射回路負責給發(fā)射源天線（標準天線）饋一為1 575 MHz、輸出功率為-40dBm左右的射頻信號．并控制發(fā)射源天線位于被測GPS天線的正前方且保持同樣的高度．信號接收回路負責接收由標準源天線輻射出的射頻信號經(jīng)被測天線、場強信號接收機、數(shù)據(jù)處理，在顯示終端將被測天線的方向圖顯示出來．

圖3 低增益GPS天線方向圖的微波暗室測試方法Fig．3 Pattern test of low-gain GPS antenna in anechoic chamber

該方法與常規(guī)GPS天線測試方法的不同之處在于：① 在被測GPS天線與場強信號接收機之間插入了接口轉換裝置；② 去掉了天線隔離器，解決了整個測試接收回路的信號差問題，保證了天線測試功能的完整性．

圖3中收發(fā)信號回路之間信號電平關系為

其中GΔ≥40，單位為dB．GΔ為解決在被測天線與場強信號接收機之間增加的接口轉換裝置的增益．除接口轉換裝置外，還要求

1）用非金屬支架將天線支起來，使其與發(fā)射源天線在高度上保持一致．在外置GPS天線測試中，由于被測天線的體積相對較大，只要將其放置在發(fā)射源天線對面即基本滿足要求．而對于內(nèi)置低增益GPS天線而言，由于其自身體積較小，二者在高度上不相等就會引入較大的測角誤差，測得的方向圖不是主面的方向圖，而是圓錐切割方向圖．為了使其能夠與發(fā)射源天線在高度上保持一致就必須有一個支架將其支起來．如果天線支架是金屬體就會對發(fā)射源信號有反射作用，整個信號接收回路內(nèi)的駐波參數(shù)發(fā)生了變化，從而影響了被測GPS天線對發(fā)射源信號的接收．因此支架材料必須是非金屬材料．

2）發(fā)射源天線的波束中心點必須完全對準被測天線的物理中心，以保證所測試方圖的360°圓周性．在外置GPS天線測試中，由于被測天線的體積相對較大，中心偏10mm相對尺寸誤差只有百分之幾，而低增益GPS天線的體積較小，體積一般15mm×15mm左右，中心偏10mm相對尺寸誤差可達100%，方向圖會畸變得不能容忍，所以測試前必須精心調(diào)整．

3）增加屏蔽線焊點，以保證被測天線的饋點強度．低增益GPS天線的饋電點在其正下方的中間處，饋電點的體積一般在?1．5mm左右．如果只將測試電纜線的芯線直接焊接到此點而周圍不采取任何保護措施情況下，在天線轉動或者在實際操作過程中就容易使天線的饋電點脫落．如果同時將測試電纜線的外層屏蔽線分為兩份分別焊接在饋電點兩側如圖4所示，在饋電點兩端形成兩個支點，增強了饋電點的強度，避免在測試過程中測試電纜反復轉動造成被測天線饋電點因為受力而出現(xiàn)脫落現(xiàn)象．

將40dB的信號增益補充進整個測試回路才能實現(xiàn)整個被測低增益GPS天線接收信號電平完整地鏈接；同時在測試過程確保收、發(fā)天線的高度一致；源天線的波束中心點與被測天線的物理中心完全對準；被測天線饋點強度等工程技術措施就可實現(xiàn)低增益GPS天線在微波暗室方向圖的測試．

圖4 被測天線饋電點、測試電纜線芯線、測試電纜線的屏蔽層三者之間的焊接關系Fig．4 The welding positions of feed point of tested antenna，cable core and cable shielding layer

3 實際測試

實際測試中，選擇中心頻率為1 575MHz的10dB增益的GPS天線來進行測試驗證．整個測試系統(tǒng)主要由信號發(fā)射回路、信號接收回路組成．信號發(fā)射回路主要完成衛(wèi)星信號的產(chǎn)生與發(fā)射，如圖2所示；信號接收回路主要完成信號的接收、放大，如圖3所示．測試中發(fā)射天線固定不動，待測GPS天線受轉臺控制進行水平和垂直兩方向360°旋轉．GPS天線方向圖的測量通過天線的水平、垂直360°旋轉、連續(xù)地接收回波幅值獲?。疁y試時發(fā)射源天線發(fā)射出一1 575MHz±10MHz的射頻功率信號，通過被測GPS天線接收輸入到接口轉換裝置再輸出到場強信號接收機，最后通過數(shù)據(jù)顯示終端顯示測量結果．表1為中心頻率為1 575 MHz GPS天線實測數(shù)據(jù)（歸一化后數(shù)據(jù)）．

圖5為中心頻率1 575MHz、增益為10dB左右的GPS天線實際測試所獲得的天線方向圖．表2為該天線實測數(shù)據(jù)與理論設計之間的對照．

由表1～2可知，實際測試所獲得小增益GPS天線主瓣增益、3dB帶寬與理論設計基本相符，副瓣增益、3dB帶寬數(shù)據(jù)略差于理論設計值．小增益GPS天線接收信號時一般只使用主瓣作為信號接收方向，副瓣位于天線設備內(nèi)部不會用來接收信號．

表1 中心頻率1 575MHz、增益約為10dB的GPS天線的實測數(shù)據(jù)Tab．1 The measured data of GPS antenna with center frequency of 1 575MHz，gain of 10dB

圖5 中心頻率1 575MHz、增益約為10dB的GPS天線測試方向圖Fig．5 The tested pattern of GPS antenna with center frequency of 1 575MHz，gain of 10dB

表2 天線實測數(shù)據(jù)與理論設計之間的對照Tab．2 Comparison between the measured data and theoretical design of the antenna

4 結 論

本文提出一種微波暗室中低增益GPS天線方向圖的測試方法．該測試方法在測試回路中通過去掉常規(guī)GPS天線測試方法中的天線隔離器、增加能夠將輸入到場強信號接收機端口的信號功率電平提高到所需的量值范圍的接口轉換裝置．在實際測試過程中采用非金屬支架保證被測天線與發(fā)射源天線在測試高度一致、發(fā)射源天線的波束中心與被測天線的物理中心完全對準保證所測試方圖的360°圓周性、增加屏蔽線焊點保證被測天線的饋點強度等3項技術措施保證被測天線方向圖的理想獲取．通過在微波暗室對中心頻率為1 575MHz、增益為10dB左右的GPS天線方向圖進行測量證明該測試方法可行．

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