基于QC方法的提高K波段和Ka波段喇叭天線系數(shù)校準質(zhì)量的研究

付子豪，逯貴禎，李艷芳，黃承祖，崔騰林

(1.北京無線電計量測試研究所電磁環(huán)境效應實驗室，北京 100854；2.中國傳媒大學信息工程學院，北京 100024；3.江西科技師范大學材料與機電學院，南昌 330013)

1 引言

天線是無線電系統(tǒng)中重要的前端器件，其任務是將發(fā)射機輸出的高頻電流能量轉換成電磁波輻射出去，或者將空間電波信號轉換成高頻電流能量送給接收機。因此，天線本身需要具有一定的方向特性、較高的效率，且能夠滿足系統(tǒng)工作所需的頻帶寬度。天線作為無線電系統(tǒng)中必不可少的核心部件，其本身的性能直接影響到無線電系統(tǒng)的整體性能[1]。

由于天線有兩方面的特性：電路特性和輻射特性。所以天線校準的任務就是用試驗的方法測定和檢測天線的相關特性。天線校準是研究天線的一種重要手段，可用來檢驗理論分析的正確性。特別是研究一種新型天線時，天線參數(shù)的校準更是必不可少。因此天線校準技術就成了解決天線問題的重要途徑，特別是天線技術中某些理論上難以進行定量分析的新課題，更依賴與試驗數(shù)據(jù)進行分析研究[2]。

天線系數(shù)校準的準確性對相關的試驗有著重要的意義，例如電磁兼容相關試驗中對輻射騷擾等參數(shù)的測量就需要依賴天線系數(shù)的準確校準。輻射騷擾是電磁兼容測試的重要內(nèi)容，也是測試中最不容易通過且較難整改的項目。天線系數(shù)的不確定度直接決定了GJB 151A-1997和GJB 152A-1997中輻射騷擾測試結果的準確性。

2 天線系數(shù)校準現(xiàn)狀

K波段和Ka波段喇叭天線的頻率范圍覆蓋18GHz～40GHz，通過抽樣選取2015年至2019年內(nèi)所校準的幾十副工作于該頻段天線的天線系數(shù)校準結果分析，發(fā)現(xiàn)其校準結果誤差較大。在截止頻率40GHz處甚至可達到4.1dB。

在GJB 8815-2015電磁兼容測量天線系數(shù)校準規(guī)范中規(guī)定的天線系數(shù)校準過程中。實驗室所采用的測試系統(tǒng)還局限于半自動半手動的狀態(tài)下，對于以信號源和頻譜儀為校準系統(tǒng)的方案為例。在硬件方面，使用設備為Aglient生產(chǎn)的E8257D微波信號源和8564EC頻譜分析儀，設備年齡均超過15年。使用的線纜為傳統(tǒng)高頻線纜，其穩(wěn)幅穩(wěn)相能力相對較差，測試過程中需要對線纜進行多次測試。同時在測試過程中，由于三天線法需要對不停更換接收天線和發(fā)射天線，因此由線纜引入的不確定度會變得更大。在軟件方面，其中測試軟件為采用LabVIEW自編的控制程序，其掃描帶寬、分辨率帶寬等設置都是影響測試結果的重要參數(shù)。為了保證天線校準在各個頻點的取樣及掃描時間等要求，對于測試時間進行了一定的犧牲，使得整個測試流程相對較長，且測試時間基本與取樣點數(shù)成線性比例關系。加上近年來各大單位都相繼建立電磁兼容測試系統(tǒng)，因此需要校準的天線數(shù)量大幅上升，現(xiàn)有的18GHz～40GHz高頻喇叭天線系數(shù)校準系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足要求。所以，18GHz～40GHz高頻喇叭天線系數(shù)校準系統(tǒng)的改進與優(yōu)化是非常迫切的。

為了更好地進行對比，選用不同型號相同工作頻率的高頻喇叭天線進行測試，為了保證結果的一致性，微波信號源和頻譜分析儀在整個測試流程中不斷電，且在測試前預熱超過1小時。經(jīng)過五組測試后的得到校準結果，如表1所示，18GHz～40GHz高頻喇叭天線系數(shù)校準系統(tǒng)主要問題是測試時間長(這里的測試時間是指的在天線架設完成后，軟件控制儀器進行測試的時間，實際單一天線的測試時間遠超過該時間)，不確定度偏大，測試效率低。在硬件配置方面，微波信號源與頻譜分析儀之間的設置缺乏一致協(xié)調(diào)性，更換天線時線纜引入的不確定較大的問題，影響了18GHz～40GHz高頻喇叭天線系數(shù)校準精度。其中每組對同一個天線進行6次天線系數(shù)校準，天線系數(shù)校準結果最大差值為同組測試內(nèi)全頻段單個頻點的校準結果差值絕對值的最大值。

表1 天線校準最大差值現(xiàn)狀調(diào)查表

3 原因分析

高頻喇叭天線校準測試框圖如圖1、2所示，一般采用三天線法進行天線系數(shù)校準測試工作。其中，主要儀器包含微波信號源、頻譜分析儀、參考天線、衰減器等，其余輔助設備有連接電纜及轉接頭、光纜、天線架等，其中微波信號源和頻譜分析儀可以使用矢量網(wǎng)絡分析儀來替代[3，4]。

圖1 天線系數(shù)校準框圖

圖2 采用矢量網(wǎng)絡分析儀的天線系數(shù)校準框圖

運用頭腦風暴法，同時結合實際校準過程中的情況，歸納和總結出影響天線系數(shù)校準質(zhì)量的關聯(lián)圖，如圖3所示。

圖3 K波段和Ka波段高頻喇叭天線系數(shù)校準關聯(lián)圖

采取現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)據(jù)驗證和比較分析等方法，對圖3中喇叭天線校準系統(tǒng)的各個末端因素進行了逐個確認[5，6]。凡需要通過試驗來確認的，均采用GJB 8815-2015所規(guī)定的要求來驗證，最終確定了要因：

?邏輯算法問題。自編軟件在實驗室進行實際測試，其邏輯中冗余較多，且間隔時間設置過長，從而導致測試時間較長。

?天線架使用不便。經(jīng)過實驗室校準人員的長期使用發(fā)現(xiàn)，天線架的設計存在不合理的地方，使用不便同時容易引入其他誤差。

?測試電纜損耗大、穩(wěn)幅穩(wěn)相性能差。經(jīng)過實際測試，現(xiàn)用電纜在18GHz～40GHz的工作頻段內(nèi)衰減為3.32dB～4.71dB每米，同時穩(wěn)幅穩(wěn)相性能差最多造成天線系數(shù)3dB的影響。

?天線之間的對準誤差較大。通過手動調(diào)節(jié)接收和發(fā)射天線之間的位置關系帶來較大的不確定性，在工作頻段范圍內(nèi)，測量誤差最大可達3dB。

?暗室內(nèi)存在金屬反射物。如果暗室內(nèi)沒有“清理干凈”，有金屬反射物或與工作波長接近的金屬桿狀物時，會對測量結果引起較大的誤差，最大影響可達4dB[8]。

4 制定對策與對策實施

?邏輯算法問題。

結合硬件和軟件，提升硬件水平，同時編寫相關配套軟件。改進軟件算法，優(yōu)化軟件、硬件配置。由于測試軟件的算法及邏輯控制方法不足，導致測試時間較長，改進后的測試軟件使用的是采用C#自行編制的測試軟件，此測試軟件不但在算法上有很大的提高，在實際測試的邏輯控制上也得到了改善。根據(jù)GJB8815-2015的要求，組織對校準系統(tǒng)進行配置并調(diào)試。下圖4、5為配置前后的測試系統(tǒng)界面和基本配置信息截圖。

圖4 原測試系統(tǒng)界面

圖5 新校準系統(tǒng)軟件可在PC上直觀顯示校準結果

改進后的測試系統(tǒng)軟件改善了算法及邏輯控制方法等方面的不足，提高了測試效率，減少了測試過程中的復雜性和測試時間。同時由于新設備的使用，其頻率偏移，信噪比等方面的性能也得到極大的改善。以往的測試軟件采用LabVIEW編寫，主要實現(xiàn)邏輯控制效果，測試數(shù)據(jù)需要單獨導出進行繪圖來確認天線系數(shù)的校準測試結果。在新校準系統(tǒng)軟件可以直接在軟件上顯示天線系數(shù)的校準測試結果并進行特殊曲線的選取和重新繪制等功能，極大提高了測試效率。

?天線架使用不便。

改進天線架，制作K波段和Ka波段典型型號喇叭專用天線架及工裝。在天線架的使用方面，以往常用的天線架通常為木制天線架或標準三角架如圖6所示，此類天線架在測試過程中移動不方便，而且天線架的強度也不高，很容易造成在測試過程中天線脫落，在測試過程中變化天線極化時，需要重新進行發(fā)射天線和接收天線的對準流程，更顯得此類天線架的不足。小組成員根據(jù)天線的特點以及各方面的因素進行了分析，設計并加工出新的天線架，如圖7所示，解決了以上問題并投入了使用。

圖6 原天線架

圖7 新設計天線架

經(jīng)過實際測試對比，改進效果顯著，在天線的極化的變換和高度調(diào)整等方面都有很大的改善。

?測試電纜損耗大、穩(wěn)幅穩(wěn)相性能差。

改進連接配置，采購高性能、低損耗、高屏蔽、穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜。測試電纜的損耗直接影響天線系數(shù)測試，特別是部分天線系數(shù)較差的天線。由于高頻空間衰減較大，如線纜中引入的衰減太多，則可能實際測試信號湮沒在低噪中，無法被正確讀出。值得注意的是，自動化的測試系統(tǒng)一般無法分清所在頻率范圍內(nèi)測得的信號是低噪還是實際有用信號。

同時，由于GJB8815-2015要求采用三天線法進行天線系數(shù)校準，因此線纜需經(jīng)過多次連接和放置，因此如果線纜的穩(wěn)幅穩(wěn)相能力較差則會直接導致天線每次測量的狀態(tài)不一致，也會最終導致校準的天線系數(shù)發(fā)生較大的偏差。因此，將使用的線纜進行更新?lián)Q代，如圖8所示。

圖8 改進前(左)及改進后(右)的連接電纜

經(jīng)過實際校準測試可以發(fā)現(xiàn)，改進后的電纜比改進前的電纜損耗要低大約15的dB，可以滿足使用需求。同時穩(wěn)幅穩(wěn)相性能得到大幅提升，更改線纜的位置對結果的影響不超過0.3dB。

?天線之間的對準誤差較大。

采用專用天線對準儀器和方案，制作專用天線架導軌，配置激光器進行校準。由于過往使用的天線架在對準方面較為困難，在改進了天線架的基礎下，在接收和發(fā)射兩個天線架之間設置導軌，使得天線架只能在導軌上水平滑動，同時設計微調(diào)旋鈕，使得天線能夠進行微小尺寸的距離調(diào)整。采用激光對準儀進行修正，使得天線的口面夠完全正對。同時在新天線架上進行改裝使得其能夠支持天線的相位中心指標測試，得到相位中心數(shù)據(jù)可以在最大程度上減小因為天線對準偏差所引入的誤差。參見圖9。

圖9 微調(diào)旋鈕、導軌及激光對準儀

經(jīng)過實際測試對比，依據(jù)GJB8815-2015的標準進行校準時，采用三天線法進行校準。更換接收和發(fā)射天線位置時由于導軌的存在和激光儀的輔助可以大大減少天線對準所用的時間，同時降低天線校準測試人員的勞動強度。

?暗室內(nèi)存在金屬反射物。

(1)盡量保持微波暗室內(nèi)部“干凈”，將反射物體盡可能移出屏蔽暗室。

(2)移不出的反射物采用吸波屏蔽材料遮蓋。

依據(jù)GJB8815-2015，采用三天線法對高頻喇叭天線的天線系數(shù)進行校準。對型號為BBHA9170的喇叭天線在18GHz到40GHz范圍內(nèi)的典型頻點進行天線系數(shù)校準。在微波暗室內(nèi)存在金屬反射物的情況下，對該天線進行6次校準后得到天線系數(shù)校準結果[9]。進行上述(1)(2)兩項措施后，再對該天線進行6次校準得到改動后的天線系數(shù)校準結果，試驗前后數(shù)據(jù)進行對比：

表2 試驗前后天線系數(shù)最大差值數(shù)據(jù)對照表

經(jīng)過試驗驗證，可以得出以下結論：減少了屏蔽室里的反射物，降低了反射物對測量數(shù)據(jù)的影響，有效提高了高頻喇叭天線系數(shù)在K波段和Ka波段上的準確性。因此，在高頻天線系數(shù)的校準測試流程中，保持測試暗室場地的“干凈”非常重要。需及時移除暗室內(nèi)的金屬反射物體，如無法移除的，應及時覆蓋吸波材料進行遮擋。

5 效果檢查與結果驗證

經(jīng)過對18GHz～40GHz高頻喇叭天線系數(shù)校準系統(tǒng)的優(yōu)化和改進，在測試精度上達到了預期目標，參見圖10。在測試時間上也有很大的突破，參見圖11。

圖10 測試系統(tǒng)改進前后測試精度對比情況

圖11 測試系統(tǒng)改進前后測試時間對比情況

在硬件方面，通過升級測試硬件和低損耗、穩(wěn)幅穩(wěn)相高頻線纜的應用，解決了在測試過程測試信號發(fā)生偏差和實際有用信號湮沒在環(huán)境低噪中的問題，通過對天線架的改進，使得天線在移動和極化變換上都變得更加簡便和快捷。加入導軌和激光儀的使用使得天線系數(shù)校準測試能夠降低對準誤差所帶來的影響。在軟件方面更是優(yōu)化了測試流程，減少了測試的時間并通過顯示界面能夠更加直觀地反映校準結果的優(yōu)異[10]。表3為系統(tǒng)改進后的測試數(shù)據(jù)。采用GJB8815-2015的標準進行校準，其中每組對同一個天線進行6次天線系數(shù)校準，天線系數(shù)校準結果最大差值為同組內(nèi)全頻段各個頻點的校準結果差值絕對值的最大值。

表3 系統(tǒng)改進后的測試數(shù)據(jù)

通過QC活動前后效果對比圖。可以看出，從測試時間和測試精度上得到了較大的改善，提高了K波段和Ka波段高頻喇叭天線系數(shù)校準質(zhì)量。

6 結論

本文基于近年來K波段和Ka波段喇叭天線天線系數(shù)校準的相關數(shù)據(jù)，分析了實驗室校準系統(tǒng)的誤差主要來源。并針對不同型號的天線，采用相應的措施。將校準誤差由2.5dB～4.1dB改善到1.3dB以內(nèi)，并大幅減少了測試時間，對提高K波段和Ka波段喇叭天線天線系數(shù)的校準質(zhì)量有一定的指導意義。