一套天线远场测量记录系统的设计与建设

一套天线远场测量记录系统的设计与建设

孙鑫姚清

西安嘉昱晟通电子科技有限公司 陕西 西安 710000

摘要：为了更好的实现天线参数的测量，以验证理论分析和计算的正确性，检验天线产品的合格与否，及对天线进行定期的性能检查，设计建设了一套天线远场测量记录系统。本系统使用虚拟仪器技术方案，采用标准通用以太网总线构架及远场测试方法，工作频率为0.9G-18GHz。本系统包括测试三维转台、微波信号接收机、控制计算机等主要部分。通过测量记录系统的建立完成了天线方向图、半功率波束宽度、增益、方向系数、幅相特性等参数的测量功能。本系统的各项指标性能优异，在天线测量方面属于一套技术水平较高的测试系统。

关键词：天线远场、虚拟仪器、测试系统

0 引言

随着国防和信息产业的发展，对天线的要求越来越高，高性能的现代天线分析与设计离不开先进的测试技术和测量系统。目前现代化科学技术发展的越来越快，天线的自动测量技术应用也越来越广泛。利用计算机的程序控制和卓越的计算机能力来代替人的部分脑力劳动，具有快速、多功能、操作简便和智能化等一系列优点，实现对天线的自动测量，指导天线设计和性能的测试验证。

本测试系统就是在天线的辐射远场区域内，依据天线远场测试距离R=2D2/λ（D为天线口径的最大尺寸，λ是天线的工作波长）的原理，采用虚拟仪器和标准通用以太网总线构架，运用测试三维转台、微波信号接收机、控制计算机等部分，实现测量天线方向图、半功率波束宽度、增益、方向系数、幅相特性等参数。该系统操作方便，测量参数较为齐全，目前已在天线测试中得到了实际应用，能够满足测试要求，属于一套自动程度和技术水平均较高的天线远场测试系统。

1 测试原理

天线外场测量记录系统使用虚拟仪器技术方案，采用标准，采用远场测试方法，整个系统的工作频率为0.9G-18GHz。系统利用信号源和矢量网络分析仪等仪器、仪表设备作为射频收发单元，通过多功能自动化软件的控制，实现接收端转台（方位轴、俯仰轴）角度位置、天线远场幅度方向图、极化方向图、天线增益、圆极化轴比等电性能参数的测试，且具有远场测试数据采集、处理、记录、分析及输出功能。

测试采用天线远场测试方法，测试场地发射端与接收端的直线坐标距离为1300米，发射塔高30米，发射塔所在位置水平高度134米；接收塔高6米，接收塔所在位置水平高度31米。

由测试场地侧视图能够得到发射端到接收端的直线传播距离为1306.19米，待测天线的仰角为6°。

由远场区公式：，及已确定的发射和接收点距离（R），可推算出一系列满足本场地远场测试要求的天线口径和测试频率，如下表所示。

表1 本场地下远场工作频段和天线口径关系

本系统采用发射天线不动，待测天线在方位和俯仰不同的面上绕自身轴旋转的测试方式，测量被测天线的方向图，测到的参数与标准天线测试参数进行对比，得到待测天线的绝对参数指标。

2 系统组成及工作流程

天线外场测量记录系统主要分为发射端和接收端两部分。

发射子系统由发射天线、三维极化转台、信号源、宽带功率放大器、控制计算机及电缆等组成。

控制计算机控制信号源与发射转台的工作参数。发射端信号源生成发射信号，经过功率放大器连接到发射天线，信号通过喇叭天线发射指向接收端。发射端的主要功能有两个：

a)调整发射天线位置：

使发射天线与被测天线的对准，以及通过程控调整发射转台的极化方向。

b)控制发射指定参数信号；

根据测试参数，发射指定频率和功率的信号，信号经过功率放大器放大后通过发射天线发射给接收端。

接收端待测天线架设在二维转台上，转台转动时角度可知，同时，待测天线和参考天线接收发射端发出的信号，经过低噪放放大后，由矢量网络分析仪接收并分析信号。

接收端的主要功能有2个：

a)三维转台的运动控制：

控制计算机发出指令，通过交换机传输给三维转台控制器，转台控制器控制三维转台实现转台运动，在天线参测试中匀速转动，并在转动中与矢网实现同步测量。

b)采集分析接收天线接收的信号；

控制计算机发出指令，设置矢网、混频器的参数和工作模式，接收发射端发射的指定频率的信号，信号经过系统计算分析，得到天线的待测指标参数。

系统基本工作流程为：

a)在测试前首先调整发射天线和被测天线的姿态，通过控制调整两边转台使发射天线和被测天线对准，然后调整发射天线的极化方向。

b)设定信号源工作参数，信号源发射射频信号，射频信号经功率放大器送到发射天线，向接收端发射信号。

c)被测天线将接收到的信号馈送到低噪放，信号经低噪放放大进入矢量网络分析仪中进行处理；同时参考天线将接收的信号馈送到低噪放，信号经低噪放放大进入矢量网络分析仪中进行处理。

d)计算机读取被测天线和参考天线接收到的测量结果，进行处理，测绘出天线方向图。

3 测试结论

本套天线测试系统将转台控制、仪器操作与控制、数值处理与分析、计算机软件编程等多个方面综合为一个完整的有机体，涉及机电、微波、信号处理等多个领域的知识。系统的工作频率：0.9GHz～18GHz；系统动态范围：≥85dB（≤12GHz），≥80dB（＞12GHz）；接收机灵敏度：≤-115dBm；是一套技术水平比较高的测试系统。

参考文献：

毛乃宏，俱新德等。天线测量手册北京：国防工业出版社，1988。

吕杨。天线远场专用测试系统的设计与实现。西安电子科技大学，2006。

丁恒。天线远场测量系统的研究。北京交通大学，2013.