天线测试系统校准方法的研究

宋 云

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

在近场或远场的条件下，通过控制发射系统、射频接收系统、转台或扫描架，天线测试系统采集被测天线在指定工作频率接收的数据，经过数据处理，得到天线的方向图等天线参数信息。天线测试系统的工作频率不同，对发射系统的要求是提供频率稳定、有一定功率的信号。接收机可以采用具有很高动态范围的矢量网络分析仪或频谱分析仪。转台系统要求提供稳定性和重复性好的水平和垂直方向控制能力。常常根据被测天线和测试场地的特点，对发射系统和射频接收系统提出一定的技术指标要求，以满足天线测试的要求。同时，由于天线测试的影响因素较多，系统的综合检测也非常重要。因此，天线测试系统的校准应根据射频发射系统和射频接收系统的技术条件进行校准，同时应进行系统校准，验证系统的正常运行。

1 天线测试系统的技术指标

天线测试系统的性能指标受到接收和发射子系统、转台子系统、测量频段、测量模式以及测量软件的综合影响。本文讨论的某天线测试系统，其连接图见图1。测试场地为户外的满足远场测试条件的场所，且测试场地的测试条件已经得到验证。

系统的性能指标应考虑如下:

(1）系统频率范围

系统频率范围在100 MHz～18 GHz。

(2）系统线性动态范围

天线测试系统中将接收机接收到的主瓣最大电平值和接收机的为测试读数的峰-峰值小于某一个固定值(如＜1.5 dB）的差值定义为接收机的线性动态范围。当信噪比下降时，接收机仍然可以检测到信号的变化，但是测量的读数受到噪声的影响而产生较大的起伏。根据天线的特点，一般系统线性动态范围达到60 dB 即可满足天线远场测试的需求。

图1 天线测试系统测试连接图

(3）系统线性度

系统线性度为＜0.2 dB/10 dB。

2 天线测试系统的校准方法

天线测试系统的校准主要包含三大部分，一是发射子系统的技术指标，二是射频接收子系统转台的技术指标，三是天线测试系统的整体性能指标。

2.1 发射子系统

发射子系统包括发射信号源、发射天线。发射信号源的校准依据JJG173-2003《信号发生器检定规程》，校准项目包括频率准确度、最大输出功率、绝对电平准确度、相对电平准确度、谐波、分谐波、非谐波、载波的剩余调幅和剩余调频等指标，其校准结果应在信号源技术指标范围内。

2.2 射频接收子系统

射频接收子系统包括接收机、本振源、中频/本振单元以及测试/参考混频器等，其中接收机是射频子系统的关键。本系统采用矢量网络分析仪N5244A 作为测试接收机。依据GJB/J3608-99《自动网络分析仪检定规程》，校准项目为内部源的校准、测试端口S 参数和系统测试指标，其校准指标应符合矢量网络分析仪的主要技术要求。

天线测试的射频接收子系统通过外混频、中频接收的模式工作，0.3～3 GHz为外混频方式，2～18 GHz为外混频基波方式。射频接收子系统包含2 对混频器，即0.3～3 GHz 频段以及2～18 GHz 频段的测试和参考混频器。根据被测天线的工作频率，选用不同的混频器，系统的其他仪器连接方式不变。

天线远场测试系统的射频接收子系统，其有效测量范围(信号电平）和变化值决定了被测天线与幅度值相关的电性能。射频接收子系统主要参数为线性度和线性动态范围。

将射频子系统按照系统连接图连接后(与现场连接相同），根据发射系统所确定的功率，在不同频率下，通过调节衰减器，测试接收机在不同信号强度时的信号变化的线性度范围和峰-峰值变化，即为可用动态范围。

在实际天线测试中，依据该可用动态范围，确保被测天线最大副瓣接收信号处于此范围内，而峰-峰值的变化即为接收信号的变化。这实际上确定了天线测试过程中被测天线波束峰值、最大副瓣峰值的最大变化值。

射频接收子系统测试连接图见图2。信号源输出的信号进入功分器，分成两路，一路进入参考混频器，另一路进入可调衰减器。可调衰减器输出的信号进入测试混频器。测试混频器通过电缆和中频/本振单元传递测试通道的中频信号和本振信号。参考混频器通过电缆和中频/本振单元传递本振信号、中频信号和本振功率检波信号，中频/本振单元将放大后的测试通道和参考通道的中频信号经电缆送入接收机后面板的B和R1中频直接接入端口。接收机的参考晶振输出接入信号源的参考晶振输入端，接收系统共享同一个晶振。

图2 射频接收子系统测试连接图

信号源频率设为0.3 GHz，－20 dBm，可调衰减器设为0 dB，此时用功率计读取测试混频器和参考混频器输入端的功率值，记录测试值。重新连接好测试混频器和参考混频器输入端的电缆，10 倍步进调整可调衰减器的衰减量，减小测试通道信号的功率电平，在接收机上读取测试结果。同时，记录接收机读数的峰-峰值，分析射频接收子系统的线性度范围。当测试通道信号电平步进减小直至接收机系统线性区(如峰-峰值超过1.5 dB）后，线性度和系统线性动态范围测试即可完成。

改变信号源频率分别为1.0、2.0和2.8 GHz。重复上述过程，测试射频接收子系统的线性度和系统线性动态范围。测试结果见表1。

2～18GHz 范围内的射频接收子系统的线性范围和灵敏度的测试需要更换2～18 GHz测试混频器和参考混频器，设置频率分别为2.5、4、8、12、15和18 GHz。重复上述测试过程，测试射频接收子系统2～18 GHz 范围内的线性度和系统线性动态范围。测试结果见表2。

表1 0.3～3 GHz 射频接收子系统测试结果

表2 2～18 GHz 射频接收子系统测试结果

上述测试结果表明:针对天线远场测试系统对射频子系统的需求，射频子系统方案设计时的线性度和系统线性动态范围在18 GHz 以下频率范围，满足天线测试要求。

2.3 天线测试系统的整体性能校准

本天线测试系统的转台为极化转台和方位/俯仰转台构成的三维转台，由一台控制器统一控制，可以手动(面板）和电动(计算机）控制。转台的技术参数主要包括载重能力、旋转角度范围、最大旋转速度和重复定位精度等。三维转台的角度重复定位精度:极化转台为± 0.02°，方位转台为± 0.03°，俯仰转台为±0.04°。其中水平方向重复定位角度精度是转台最重要的参数指标，它确保了天线测试的最大波束指向的重复性(或误差）。

天线测试系统测量软件包括系统控制软件、天线采集/分析软件以及信号源、接收机、转台控制器等的驱动软件。标准天线分析功能包括天线方向图峰值和指向、波宽以及副瓣和位置，方向性系数或增益，单脉冲和差方向图，园极化方向图和轴比，直角坐标、极坐标方向图和数据列表，扫描统计，以及分析比较等。

为了验证天线远场测试系统的准确性，主要测试天线峰值电平、波束指向、波束宽度、副瓣电平、副瓣位置的重复性。采用1.5 m 栅条天线测试天线方向图，验证指标为方向图的重复性，包括波束峰值和指向、3 dB波束宽度等。波束指向和3 dB波束宽度的重复性也间接验证了转台的水平方向重复定位角度精度。测试结果见表3，频率测试点测试数据重复性统计见表4。测试结果显示该天线测试系统具有很好的重复性。

表3 各频率测试点平均数据值

表4 各频率测试点测试数据重复性统计

3 结束语

本文讨论的天线测试系统包括了射频系统、转台系统和软件控制、测量和分析。通过对天线测试系统的分析研究，射频系统接收机具有较好的线性动态范围和线性度，转台系统具有较好的重复性，软件系统功能完整，可以满足无源天线的测试。

在天线测试场地确定的情况下，对天线远场测试系统进行了发射子系统、射频接收子系统、天线测试系统整体性能校准，满足天线测试系统校准需求，确保该天线远场测试系统在完成校准后可以完成天线性能指标测试。

［1］齐岩，等.天线测试平台系统设计与安装［J］.计测技术，2009(2）.

［2］李福剑，李彦文.天线测试中的误差分析［J］.舰船电子对抗，2007(1）.

［3］王小强.基于矢网的天线馈源自动测量系统//第十九届测控、计量、仪器仪表学术年会(MCMI’2009）论文集，2009.