如何选择天线测试方案

Andrew Laundrie, Eravant, Torrance, Calif.

过去几年来，天线测试领域发生了飞速的变化。随着越来越多更高频率的天线类型及新应用的出现，完善现有的测试方案并开发新的方案就变得迫在眉睫。对于刚接触天线测试,或在离开几年后重回天线测试领域、需要重新熟悉测试工作的人员来说，梳理天线测试基础知识以及研究最新趋势便显得十分重要。

天线测试的基本方法没有发生实质性变化，变化的是测试天线的方式和场所有了更多选择。更多的选择也不同程度地提高了成本、便利性、准确性和复杂性尤其是紧缩场天线测试系统（CATR），其可用性更广，工作频率更高达330 GHz及以上。

对于100 GHz以上的天线测量，可以通过选择不同的矢量网络分析仪（VNA）、频率扩展器模块和合适的馈源天线，为特定的波导频带定制更多的CATR方案。例如，Eravant设计制造了开放式CATR，反射面选项有300×300 mm或600×600 mm，如图1所示。这些CATR可配备VNA频率扩展模块和工作频率高达330 GHz的馈源天线。

图1 Eravant的CATR。

MilliBox开发了一系列使用模块化微波暗箱的CATR设计。MilliBox的MBX32CTR CATR也可为高达330 GHz的频率提供测量解决方案。图2为MilliBox测试暗箱样机。

图2 MilliBox的MBX32CTR CATR。

罗德与施瓦茨公司设计制造了一系列具有微波屏蔽暗箱的毫米波CATR。图3为罗德与施瓦茨CATR，其屏蔽外壳包裹着一个微波暗箱。其他商用的天线测试类型，包括许多传统的远场测试类型，以及各种近场（NF）扫描系统。图4为ASYSOL的平面NF系统。ASYSOL及其他系统通常在微波到毫米波频段使用。

图3 罗德与施瓦茨公司 ATS1800C CATR。

图4 ASYSOL的平面近场系统。

如果仅需要偶尔进行天线测试，最常见的策略之一是使用测试机构的测量系统。在清楚了解搭建和维护天线测试系统的所需的时间和成本之前，这乍一看似乎是一个不方便且昂贵的选择。累积使用多种天线测试系统的经验，是熟悉当前实践和设备的最佳方法之一。许多公司可以提供价格经济的天线测试服务，有些公司还能携测试设备上门服务，而不是相反的情况。例如，Quadsat可以利用无人机，为架设在室外的高增益天线提供机载天线测量服务。图5为提供机载天线测量服务的Quadsat无人机。

图5 用于机载天线测量服务的 Quadsat 无人机。

在成本和复杂性较高的情况下，完备的天线测试系统由完全工程化的暗室、工装定位系统、计算机平台、软件和测试设备组成。多种配置选项可以满足定制天线测量的特定需求。配置完整的天线测试系统需要一个具有专业知识的团队来执行与设计、规划、建造、校准、操作和维护相关的任务。

也有更简单、成本更低的解决方案供选择。天线测试组件，如暗室、工装定位系统、测试设备和软件，可以在内部开发或单独购买。表1列举了该领域的公司名单，以及这些公司提供的产品和服务。提供这些组件的公司可以根据特定的测试需求提供专业的建议，并向客户推荐给现有设施作为参考。总的来说，天线测试行业在各个层面都是开放与合作的，也使其成为最有价值的职业道路之一，其参与者也具有多样的技能和兴趣。

无论知识水平和资源如何，学习天线测量无可替代的方法就是实验。有很多有用的资料，可以帮助理解现有的实践方法以及背后的电磁学和信号处理理论。同时一些公司，比如 NSI-MI，还提供在线短期课程，涵盖天线测量、噪声系数理论和紧缩场设计的入门级和高级课程。此外，像天线测量技术协会这样的专业组织为刚接触该领域的人提供入门训练营。

IEEE 实践标准是该主题的最佳信息来源之一。IEEE Std 149-2021《天线测量推荐实践》在 2021 年进行了重大修订。鉴于任何测量若没有不确定性声明都不算完整的，该标准对天线测量的不确定性进行了全面阐述。 作为说明性示例，这份不确定性分析被应用于一个假设的紧缩场。

IEEE Std 149-2021 涵盖了广泛的理论和实践主题。不过它不再包含近场天线测量内容，这些内容现在包含在IEEE 标准 1720-2012《近场天线测量推荐实践》中4、5。该标准正在更新中，下一版预计将于2025年发布。

物理标准也在制定中，供不同的测量组评估和比较测试结果。其中一个标准是天线，最初被确立为计算电磁学的基准。图6所示的天线工作带宽约为4至12 GHz，是为超宽带应用开发的。它很容易使用单层板的FR-4基板制造，并且该设计可以作为通用的测量标准。该设计正在各种天线测试设施上共享，以比较不同天线测试方法的测量结果。

图6 用于比较测试结果的宽带天线测量标准。

天线测量方法

测量天线增益最直接的方法之一，是将待测天线与已知标准天线进行比较。在这种增益测量方法中，总共需要三个天线：一个用作发射天线，另一个用作参考天线，第三个用作被测天线（AUT）。需要进行两次测量，第一次通过参考天线建立校准响应，第二次测量是将AUT替换参考天线。

使用增益转移方法时可能会出现许多复杂情况。如果天线之间的距离不够远，天线之间的多次反射可能会引入显著的误差项。如果发射天线建立的“静区”不够“干净”，这意味着它的幅度和相位变化较大，这会引入额外的误差。误差源还可能包括附近表面或电缆引起的多径干扰、支撑结构对天线的电加载、干扰信号（设备泄漏）、天线失配误差、测试设备的有限精度或天线对准误差。最终，AUT的增益不确定性不能优于所使用的增益标准。

另一种常见的增益测量技术是直接或绝对测量。这种方法需要两个相同的天线或三个不同但对极化有一定限制的天线。当接收机直接或通过校准的短接电缆连接到信号源时，通过记录接收机的响应来校准测试系统。两天线法,使用相隔已知距离的两个相同天线测量传输损耗。Friis传输方程得出天线对的组合增益。任一天线的增益都是天线增益乘积的平方根。

三天线法,测量三个不同天线对的增益积。每个天线的增益是通过一个包含三个未知数的三个方程组来计算的。双天线和三天线方法都假设天线之间有远场距离，远场距离通常被认为大于2D²/λ，其中D是有效孔径宽度，λ是波长。然而，在这个距离上，定向天线对之间的相互作用可能足以将增益不确定性提高到不可接受的水平。通常建议距离至少为32D²/λ，以充分限制邻近效应。

在毫米波频率下，如果信号功率不足以克服传输损耗，远场分离可能会出现问题。如果必须在很大的动态范围内测量增益模式，问题可能会加剧。如果还必须测量天线极化，则可能需要更大的信号强度。

这里已经开发了各种增强的测量方法，用于从近场距离处获得的测量值外推远场天线增益。外推增益是一种众所周知的精确校准标准增益天线的方法，只要付出足够的努力，就可以实现±0.1 dB的不确定度。进行增益外推法时，需要得到天线幅度和相位响应值，因此需要使用矢量网络分析仪。

在增益外推法测试中，天线对之间的信号传输在一定间隔距离范围内测量。得到的结果是一组S21数据，随着距离的增加衰减。数据通常包含由天线之间的多次反射和各种其他邻近效应引起的额外特征，而不是遵循1/d趋势的平滑振幅曲线。当天线之间的三阶反射占主导地位时，振幅数据包含空间周期为λ/2的周期性变化。

可以通过分析外推的增益数据，推出耦合信号与距离的最佳拟合数学表达式，归一化为1/d。该表达式的形式是幂级数，每个求和项都是一个常数乘以1/dn，其中d是距离，n表示第n项。级数中的一阶项（n=0）表示当d外推到无穷大时天线对的远场增益积。

为了从数学上推导出幂级数中的一阶项，传统的增益外推技术需要大量的S21测量值。这些测量值是在200至300个波长的距离上以约十分之一波长的间隔获得的。为了在信号与距离功率序列中产生精确的高阶项，通常需要这一数量的数据。

一个最近证明的增益外推方法提供了一种新办法，在压缩测量距离跨度的同时，大大减少了所需的S21样本数量。该技术涉及精确定位信号幅度中连续最小值和最大值的位置，每个位置取一个S21样本。在大约40个波长的跨度内，以规则的间隔重复大约十几次成对的测量。所展示的结果与使用需要数千次S21测量的传统方法所获得的结果相当。需要特别留意的是，多径效应必须忽略不计，所以新方法十分适合定向天线和控制良好的测试环境。

近场扫描

在精度和通用性上，广泛认为近场天线测试能提供最佳测量结果。然而，与其他测试类型相比，近场天线测试通常具有更高的硬件成本和更长的测量时间。近场理论指出，当在发射天线周围的封闭表面上以足够的精度和分辨率测量电磁场时，可以计算天线反应区外任何任意点的场。计算很复杂，需要大量的计算资源和专门的软件来执行场变换、空间滤波和探头校正等功能。

根据扫描面的不同，NF系统刻分为球面（SNF）、柱面（CNF）或平面（PNF）。PNF系统广泛用于定向辐射器，如喇叭、透镜和反射器天线，以及天线阵列。CNF扫描通常通过在PNF系统中添加一个旋转AUT的定位器来实现。

PNF和CNF系统无法测试整个封闭曲面，除非使用不同的天线方向进行多次扫描。当扫描区域外存在重要的场时，远场增益计算中省略这些场会导致计算误差。SNF数据可以更容易地进行数学处理，探头校正通常更简单。因此，与其他平面近场系统相比，许多SNF系列在成本和工作量相似的情况下，可提供更好的性能。

在毫米波频率下，许多天线小到可以使用商用六轴机器人进行扫描。这种机器人可以在一系列不同曲率的轨迹上操纵场探头，包括平面、圆柱形和球形。机器人还可以使用与平面近场扫描相同的天线和探头配置进行外推增益测量和其他测试。

在100 GHz以上的频率，平面近场系统的设计者和运营商面临着重大挑战。一般来说，平面近场技术需要λ/50或更小的探头定位不确定性。在100 GHz时，这相当于60微米。这种机械精度对许多机器人系统、校准所需的尺寸探头和激光跟踪器的性能提出更高要求。因此，在开发出具有更高精度和速度的机器人系统之前，在300 GHz以上频率的平面近场测量实用性并不高。不过，工程人员正在不懈努力以应对挑战。

在美国国家标准与技术研究院（NIST），研究人员正在将NIST开发的平面近场扫描技术推向高达500 GHz的频率。所配置的机器人毫米波天线设备（CROMMA）是目前用于精确平面近场测量的最先进的定位系统之一。该设备已成功地分析了工作在183 GHz的天线，可以执行高达500 GHz的平面近场测量。该设备正在运行平面近场测量如图7所示。

图7 CROMMA 进行近场测量。(图片经授权使用。Rebecca Jacobson，NIST）

CROMMA使用六轴COTS机器人操纵场探头，可重复性和精度约为25微米。场探头的运行范围垂直约为4米，水平约为5米。为了校准系统，探头卡具在机器人的活动范围内移动，同时激光跟踪器扫描载体上的目标。当现场探头安装在卡具上时，单独的校准夹具使用高分辨率相机找到探头孔径的中心，并确定其相对于载体组件上参考点的位置和方向。

据报道，一些市售的平面近场系统可以在110GHz 或更高的频率下使用。遗憾的是，平面近场供应商不愿明确标识在如此高频率下的预期精度，因为测量结果在很大程度上取决于其系统在特定情况下的使用方式。随着更多关于亚太赫兹波长的平面近场测试结果被报告，这些天线测试系统的性能应该会更加清晰。

结论

商业和国防应用正在向更高频率发展，以向终端用户提供更出色的性能。这意味着测试技术和设备必须走在前列，以支持种类繁多的新一代高频组件和系统。本文作为一个概述介绍了一些技术、产品、服务和公司，希望他们将高频系统的愿景成为现实。

参考资料

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