1～110GHz近遠場復合天線測試系統設計

中電科思儀科技股份有限公司 張文濤

隨著天線頻率向太赫茲頻段拓展，高頻段天線測試系統需求越來越緊迫，對于天線測試來說，通常有遠場測試、緊縮場測試、近場測試三大類測試方法。遠場測試系統優點在于測試速度快，不用經過電磁波轉換和數據轉換計算，測試精度高。但遠場測試時，測試距離必須滿足遠場條件，太赫茲頻段空間損耗高，對應頻段的功放、低噪放增益小，由此帶來的問題是系統動態范圍小。緊縮場測試通過反射面實現了電磁波從球面波到平面波的轉換，縮短了測試距離，解決了高頻、大尺寸天線的測試問題，但緊縮場為了滿足靜區尺寸范圍，需要加工尺寸較大的反射面，且太赫茲頻段加工精度高（1/60λ），成本昂貴。近場測試通過利用掃描探頭采集天線近場測試區域內幅相信息，再經過數學變換得到天線的遠場特性。

通過設計近遠場復合測試系統，使該系統在低頻段可以采用近場或遠場測試，高頻段天線測試在不滿足遠場條件的前提下，可采用近場測試。從而完成高效、可復用、多種測試方法合一的天線測試系統設計。

1 系統方案

1.1 硬件技術方案

近遠場天線測試系統由測試部分與控制部分組成，其中測試系統部分放在微波暗室中，主要由網絡分析儀、太赫茲發射模塊、太赫茲接收模塊、掃描架、轉臺、近場測試探頭、功率放大器、低噪聲放大器、連接電纜等組成。

測試系統連接框圖如圖1所示。

圖1 1～110GHz近遠場復合天線測試系統框圖

如圖1所示，1～40GHz天線近場測試系統的具體工作原理為：在主控計算機的控制下，矢量網絡分析儀產生的激勵信號，通過旋轉關節后經待測天線輻射出去；近場測量探頭和低噪聲放大器固定在掃描架上，在主控計算機的控制下，通過掃描架進行不同位置的掃描獲取各個位置的信號；矢量網絡分析儀將接收到的信號傳送給主控計算機；主控計算機根據得到的矢量信息，通過運行變換處理算法，實現近場測試數據到天線遠場方向圖特性的反演換算，完成系統測試。

40～110GHz天線近場測試系統的具體工作原理為：在主控計算機的控制下，矢量網絡分析儀產生的激勵信號，首先進入太赫茲發射模塊，信號倍頻輸出后，經待測天線輻射出去；掃描架上的近場測量探頭接收到信號后送入太赫茲接收模塊，由接收模塊完成信號下變頻，得到的中頻信號送入網絡分析儀的外中頻輸入接收機中，在主控計算機的控制下，通過掃描架進行不同位置的掃描獲取各個位置的信號；矢量網絡分析儀將接收到的信號送給主控計算機；主控計算機根據得到的信號幅相信息，通過運行變換處理算法，實現近場測試數據到天線遠場方向圖特性的反演換算，完成系統測試。對于不同頻段的天線測試只需要更換對應的太赫茲發射模塊和接收模塊即可。

遠場測試系統原理同近場測試系統，將轉臺通過地軌后退至滿足遠場條件的距離處，信號由掃描架上的近場探頭（或配置標準增益天線）發射，由轉臺上的待測天線接收，通過旋轉轉臺得到被測天線不同角度下的幅相進行，進而得到天線的方向圖曲線。

1.2 系統布局圖

系統布局圖如圖2所示。由于40GHz以下頻段采用直通模式測試，40GHz電纜損耗大，為提高系統動態范圍，將測試儀表盡可能的靠近掃描架，進而縮短測試電纜長度，并且在發射端通過增加功率放大器提高發射天線的輸入功率，在接收天線后端增加低噪聲放大器，對信號進行增益，從而提高了系統的動態范圍。

圖2 1～110GHz近遠場復合天線測試布局俯視圖

2 研究成果

系統指標如表1所示。

表1 系統主要指標

110GHz標準增益喇叭天線方向圖實測圖，如圖3所示。

圖3 110GHz標準增益喇叭方向圖實測圖

系統實物照片如圖4所示。

圖4 1～110GHz近遠場復合天線測試系統實物圖片

結論：本文介紹了一種近遠場復合天線測試系統設計方法，通過合理配置高精度的掃描架、轉臺及各頻段收發模塊，完成1～110GHz近遠場復合天線測試系統搭建。目前該系統已工程化應用，解決了高效快速的寬頻帶天線測試問題。