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天线测试系统

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 射频(RF)是Radio Frequency的缩写,表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围从300KHz300MHz之间。微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波,波长在1毫米~1米之间的电磁波 毫米波 (millimeter wave ):波长为110毫米的电磁波称毫米波,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。

频谱波段分段

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天线分类

100年来,天线技术在线天线、面天线、阵列天线三个方面均获得快速发展:

第一阶段:为线天线发展阶段,主要代表为偶极子天线、环天线和八木天线;

第二阶段:为面天线发展阶段,主要代表为反射面天线、透镜天线;

第三阶段:为阵列天线发展阶段,主要代表为相控阵天线、合成孔径天线;

天线技术在民用通信、卫星通信、雷达、测控遥感、计量校准等领域发挥了重大作用,这些领域的新应用有效促进了天线技术的发展。同时,天线技术的发展给天线的高精度和高效率测量带来很大挑战。

 

天线的分类有很多种分法:

1、领域分可分为军用天线和民用天线
2、工作性质可分为发射天线和接收天线。
2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、
雷达天线等。
3、按方向性可分为
全向天线定向天线等。
4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、
超短波天线微波天线等。
5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。
6、按维数来分可以分成两种类型:一维天线和二维天线单极和双极天线是两种最基本的一维天线。二维天线:变化多样,有片状(一块正方形金属)、阵列状(组织好的二维模式的一束片)、喇叭状、碟状。
7民用领域天线根据使用场合的不同可以分为:手持台天线、车载天线、基地天线三大类。军用领域天线还有机载天线、舰载天线、星载天线、以及各种样式的军用雷达天线等;

 

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天线场区可分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。天线测量场地可分为远场、近场、紧缩场这三大类,具体细分如图1所示。

 

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天线测量领域最早出现的测量场地是室外远场,室外远场无屏蔽,容易受到外界电磁信号的干扰,且自身发射信号的反射和散射也会对测试结果造成干扰,测量精度相对较低。20世纪50年代初,微波暗室技术出现,早期的暗室无屏蔽壳体,暗室反射性能不高,目前暗室屏蔽效能和静区反射性能都能达到较高水准。随着微波暗室技术的发展,天线测量从室外转移到室内进行,解决了室外远场背景电平高、保密性差、不支持全天候测试等问题。由于天线技术的发展,尤其是军工领域和深空探测技术飞速发展,大型反射面天线及大口径阵列天线得到广泛应用,室内远场难以满足大口径天线测试所需的远场距离,人们期望通过在有限距离空间内获取天线的远场方向图,由此促进了紧缩场和近场测量技术的产生和发展。紧缩场通过反射面、透镜或者全息技术将球面波转换为平面波,可以在有限距离上,获取天线远场方向图,从而在一定程度上解决远场距离不足带来的瓶颈。根据应用技术的不同,紧缩场可分为反射面型、透镜型、全息型。反射面型紧缩场应用最广泛。

相对于室内远场和紧缩场,近场在三维方向图测试、测试效率、口径场幅相探测方面具有一定优势,近场测量技术因此获得快速发展。近场测量技术发展经过了四个阶段:第一个阶段为无探头修正探索阶段(1950~1961年),第二阶段为探头修正理论研究阶段(1961~1975年),第三阶段为实验验证探头修正理论阶段(1965~1975年),第四阶段为应用推广阶段(1975~至今)。根据采样面的不同,近场测量场地可分为平面近场、柱面近场、球面近场三种类型;根据采用探头数量的不同,近场可分为单探头近场和多探头近场两种类型。

 

1、为什么要搭建天线测试系统对天线性能进行测试

天线作为通讯设备或通讯系统的一个重要组成部分,是为设备或系统整体性能服务的,天线性能的好坏直接决定了整体系统的通讯质量的好坏。例如手机的天线性能直接决定了手机的通话质量和电池功耗,因此天线厂家自身和整体系统厂家都需要对天线性能进行测试。对于民用消费类电子产品而言,天线一般体积很小,针对这种小型化消费类电子产品的天线性能的测试主要就是搭建一套OTA测试系统来完成(关于OTA测试系统,另有专文进行介绍)。而对于体积较大的大型天线而言,一般都是应用于大型通讯系统当中,例如无线通讯基站类天线,或者安装于大型舰船上的有源相控阵天线等等。

2、天线测试系统的方法和分类

大型天线基本上可以分为两大类,一类是民用的无线通讯基站类天线,一类是军工领域应用的各种天线。针对大型天线的自动化测试方法一般又有如下几种:远场测试、紧缩场测试、近场测试三种方法。远场测试原理:将待测天线架设在离地较高的支架上,在天线辐射远场区(R>2D2/λ)安装扫描探头(这个探头其实也是另一个标准天线),直接测量天线远场处的各项特性。天线远场测试又叫开阔场测试。

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西安恒达微波天线远场测试暗室(12m*6m*3m)

 

远场测试优缺点:可直接测量得到天线的远场特性,不存在近场测量中变换理论误差等。但是,传统的远场测试受地面反射波影响较大,难以达到特别理想的测量精度。此外,远场测量还受周围电磁干扰、气候条件、有限测试距离、环境污染和物体的杂乱反射等因素的影响,而要找到这样的理想远场测试环境可能要到环境偏僻的山区了,人员交通不便测试效率大受影响,因此远场测试已经越来越难以适应各种复杂天线的测量要求。

紧缩场测试原理:在电磁环境与外界隔离的暗室中,将待测天线做为馈源,发送球面波,再经高精度抛物面金属板的反射面反射,而在一定远距离处会形成近似平面波区域(静区)。将扫描探头放置在静区内,可直接测量待测天线远场得到其远场特性。

紧缩场测试优缺点:理想远场环境(暗室)下进行测量,能很好的模拟和控制各种电磁环境。但是,暗室造价昂贵,一般情况下不会专门采用,对各机械系统的精度要求非常。

近场原理:也是在电波暗室内完成,近场扫描法是用一个特性已知的探头,在离开待测天线几个波长(近场区)的某一表面进行扫描,测量天线在该表面各离散点上辐射场的幅度和相位分布,然后基于严格的模式展开理论,确定天线的近场特性。最后,经近场-远场变换理论,由计算机编程进行变换以及误差校准处理,近似得到待测天线性能。

优缺点:不受远场测试中的距离效应和外界环境的影响,具有测试精度高、安全保密、可以全天候工作等一系列优点,而且通过合适的软件及成熟的校准理论,有效的补偿各种测量误差,其测量精度甚至可优于远场测量,也是当前高性能天线测量的主要方法之一。但是,近场——远场变换理论要求同时已知近场幅度和相位信息,而近场扫描技术中相位信息测量难度较大,对机械系统,测量间距,取样点数,滤波等需要计算机仿真优化,以尽可能的减小测量误差。

近场测试根据扫描面几何形状,又可分为平面近场(PNF),柱面近场(CNF)和球面近场(SNF)这三种方法,每一种都需将平动及转动的组合实现在理想曲面上的扫描,因此高精度的机械部件(扫描架)是近场天线测试系统的核心组成部分。

 

3、天线的自动化测试系统的组成

一般由三部分组成:射频测试系统部分、机械部分、数据采集处理软件部分

射频测试系统部分包括:能够向待测天线提供射频功率的射频微波信号源,能够检测探头接收信号的接收机、射频微波开关矩阵、射频微波电缆等组成。为待测天线提供射频信号,经天线辐射,在空间传播。接收机检波系统尤为关键,探头接收到信号的幅度和相位经检波得到。滤波方式的选择也可改善系统误差。

机械部分包括:扫描架、探头、转台、定位装置、可移动电缆等。探头安装在扫描架上,扫描架的移动由计算机控制,其移动距离,旋转角度的控制精度非常高,从而保证扫描面近似为理想的平面、柱面或球面。通过对辐射场的幅度和相位数据在某些特定面上有规则的获取,给定面的几何形状,扫描网格节点处的数据以及参考天线(探头)的特性,将数据传输给数据采集处理系统,获得天线的近似远场性能。

数据采集处理软件部分包括:转台控制设备,计算机,数据生成、处理软件包等。幅度和相位数据在测量表面的确定位置有规则地逐点进行采集,这是通过扫描探头对这些位置处场值的记录,计算机存储生成所测得的数据,再由计算机通过傅里叶变换实现近场远场数据转换,从而近似得到天线的远场特性,将测量数据导入MATLAB或其他仿真软件,按特定算法绘出天线相应远场的幅值和相位随位置变化的波形图。这样可实现测量天线的方向图特性。扫描面区域、网格点的位置、机械全自动控制系统,探头与待测天线间多重反射,电子设备辐射,外界环境,电缆扰动等多种影响因素均需通过补偿技术对整个系统做进一步的改善。

我们以平面近场单探头天线测试系统为例,如下图所示,矢量网络分析仪,数据处理计算机,控制计算机,网络交换机位于控制室内,转台、天线扫描架、待测天线、测试探头、天线端和探头端射频盒(开关矩阵)位于暗室内。待测天线接收状态时,矢量网络分析仪的信号经过功率放大器后通过测试架头发射,待测天线接收后进入矢量网络分析仪进行幅/相测试,其中天线通道射频盒接收信号可采集多路信号(根据客户实际需要选定通道数),通过射频开关切换分时采集进入矢量网络分析仪。矢量网络分析仪推荐使用Keysight N5264B,既是矢量网络分析仪,也可作为测量接收机使用。

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相对于单探头近场测试系统而言,还有多探头近场测试系统,这个就更为复杂。民用无线通讯领域以SATIMOSG128 多探头球面近场测试系统为代表,军工系统单位多采用多探头平面近场测试系统的,无论哪种多探头近场测试系统,都要求具备多探头测试,相控阵天线通道校准,多波位多频点多通道同时测试等能力。

通过下面的图片对比我们可以直观感受一下多探头球面近场测试系统与多探头平面近场测试系统,相当壮观(烧钱)

 

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华为松山湖基地启用业界首个多探头球面近场SG178测试系统,用于基站天线开发和测试新闻链接:https://www.huawei.com/cn/press-events/news/2016/8/shouge-SG178-jizhan-xitong

 

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武汉虹信通信公司多探头球面天线近场测试系统。新闻链接:

http://edu.cnhubei.com/kjkb/kjkblb/201502/t20150228_61041.shtml

 

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航天科技九院539厂天线测试平面近场暗室建成。新闻链接:https://www.sohu.com/a/226019160_313834

 

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西安中电39所平面近场天线测试系统,网络链接:http://cetc-39.com/index.php/tksys.html

 

4、天线自动化测试系统的仪表组成

我们以相控阵天线多探头平面近场测试为例,说明在系统中用到的仪表及相关测试部件。下面是系统框图:

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其中的核心机械部分是探头扫描架,探头的控制精度是关键核心,一般选用国外知名品牌产品,实力较强的系统集成商可以自主设计开发。

安装在扫描件上的是多个探头(标准天线),对于负责的有源相控阵天线而言,可利用多通道的矢量网络分析仪和开关切换实现4816乃至更多个探头的测试。

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               相控阵多通道(多探头)天线测试系统仪表机柜 

 

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                    单探头测试系统仪表机柜

如果信号还要做信道衰落仿真,那么除了微波信号源之外,还需用到信号衰落仿真器来所信号路径衰落模拟,如下图:

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                          天线测试系统中的信道衰落仿真器

 

仪表组成:

微波信号源:Keysight E8257D或E8267D,或R&S、Anritsu、中电41所同类产品;

矢量网络分析仪/接收机(含相关测试附件):Keysight N5264B,或R&S、Anritsu、中电41所同类产品;

信道衰落仿真器(选配)Keysight Propsim F16/F32,或AeroflexSpirent同类产品;

射频微波开关箱:多用机电开关,Keysight RadiallMini-Circuts等品牌机械开关;

功率放大器(选配):在微波信号源输出功率不够的情况下,需要加射频微波功率放大器来增益信号源输出信号功率;

射频微波测试电缆:Keysight R&S等仪表厂家配套电缆,也可采用Huber SuhnerRadiallRosenberger等品牌射频微波测试电缆,国产高性能射频微波测试电缆亦可;

 

5、上海伽桀测控产品在天线测试系统的机会

功率放大器:首推德国BONN功放,以及上海伽桀自研功率放大器模块;

射频微波开关:首推法国Radiall开关,性能好,价格便宜,原厂地不是美国不受中美贸易战影响,没有惩罚性关税;

射频微波测试电缆:Huber SuhnerRadiallRosenberger以及国产上海军友的射频微波测试电缆;

测试仪器仪表:Keysight、R&S、Anritsu、中电41所等品牌仪表,或整体系统集成解决方案

 

6、上海伽桀测控在天线测试系统的销售机会来源

直接用户:

         1、无线通讯类基站设备厂商、基站天线厂商:主要集中在深圳、广州、东莞、武汉、上海、苏州等地

         2、军工研究所类客户:主要集中在北京、上海、石家庄、南京、合肥、西安、成都、武汉、长沙等地中电、中航、航天、中船、兵器系统内科研院所,以及相关高校(有军工背景的高校的电子工程系等相关院系)

系统集成商客户:

 

1、面向无线通讯类客户的天线测试系统集成商;

2、面向军工客户的天线系统集成商,地域也基本上集中在北京、上海、石家庄、南京、合肥、西安、成都、武汉、长沙等地;

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