近場天線測量探頭天線的選擇

時間: 2023/9/11  來源:   作者: sxstart

• 隨著毫米波和亞太赫茲頻譜新應用的 不斷增長，新型天線的研發和制造 也日趨繁榮。這樣對低成本、精確天線 測量系統的需求也隨之增加。射頻和微 波的天線暗室的造價對許多系統開發人 員來說往往是高昂或難以承擔的。因此 天線設計的驗證和驗收測試通常采用第 三方的暗室來完成。這樣就造成高昂的 測試費用和長時間的等待周期。然而由 于毫米波和亞太赫茲頻段的高頻特性， 相對天線的口徑較小，因此天線測試暗 室的占地面積也相對較小，這樣使建造 適用于產品研發和生產測試的天線暗室 變得合理可行。 目前占地面積較小的天線測試暗室 通常有近場測試系統和間接遠場（緊縮 場）測試系統。這類暗室被稱為小尺寸 天線測試系統。本文在提及（緊縮場） 測試系統的同時，主要集中探討近場測 試系統的一些需要關注的問題，以及不 同探頭天線如何影響其測量速度和數據 質量。 緊縮場測試系統通常使用大型反射 天線或天線陣列向被測天線（AUT） 投射平面波測試信號。發射天線保持靜 止，而被測天線則在方位角和俯仰角上 旋轉。只要發射天線向被測天線投射真 正的平面波，發射源就會有效地等價地 置于被測天線的遠區，即使其實際物理 位置在近場區域。在緊縮場測試系統 內，AUT和發射天線之間信號路徑上傳 輸的功率與AUT的遠區增益成正比。 因此，緊縮場測試系統提供了一種在小 尺寸暗室中獲取天線參數的直接測量方 法。不過，緊縮場測試系統的設計和建 造是有一定難度的，而且它們的測量精 度往往會受到各種因素的影響和限制。 在毫米波和亞太赫茲頻率范圍，其中一 些影響因素變得更加難以控制。 作為大型和昂貴的遠場天線測試的 替代方案，近場測試系統是利用更小的 微波暗室來測量天線。近場測試系統在 幾個方面不同于緊縮場測試系統。近場 測試系統使用移動探頭天線來測量探頭 和AUT之間的傳輸響應。測量時，探頭 位于AUT近場區內的不同位置。掃描 點的集合形成一個合成天線孔徑，捕捉 AUT在近場區內的天線方向圖。 許多近場測試系統將探頭置于平面 掃描面上，如圖1所示。平面掃描非常適 合測量低副瓣的定向天線。   

  

  圖1：近場掃描儀在平面上移動開口波導探頭。

  
  

  AUT的定向 近場天線測量探頭天線的選擇 天線模式允許在有 限的掃描區域內捕 捉天線輻射模式中 的所有重要參數。 對于增益較低 或高副瓣天線的測 量，可以將探頭置 于球形或圓柱形掃 描面上。球形近場 掃描系統通常使用 增益較低的探頭， 在接近孔徑的角度 近似全向天線。

  

  圖2 顯示了這類系統的 一個示例。低增益 探頭天線允許探頭 相對于AUT的角度 位置或姿態有更大 的變化空間，而且在數據處理過程中通 常無需進行探頭校正。 為捕捉到AUT產生的所有重要近 場能量，掃描面應足夠大。所需的掃 描區域和掃描類型通常由被測天線的 副瓣偏移位置決定。作為平面和柱面 掃描的經驗法則，掃描高度應大致等 于AUT高度加上探頭天線高度，再加 上AUT和探頭之間距離的兩倍乘以從 主瓣視角看最大測量角的正切。例如， 如果探頭天線和AUT的高度均為1厘米 （孔徑為2×2厘米），它們之間的距離 為20厘米，最大測量角度為±15度，則 建議在孔徑上方或下方的掃描高度為 ±2*[1+1+20tan(15°)]厘米，即±15厘米 左右。 

  
  

  遠區轉換 探頭天線和AUT之間傳輸路徑的振 幅和相位是從數學上將近場數據轉換為 遠區天線方向圖的關鍵。在大多數情況 下，專用矢量網絡分析儀可以完成這項 測量任務。對于每次測量，探頭的位置 必須置放在工作頻率的波長范圍內。 對于平面近場掃描，通常使用傅立 葉光學技術處理測量數據。如果在x維和 y維上以固定間隔進行步進掃描，則測量 數據的二維傅里葉變換會產生一個空間 頻譜，其步進數代表掃描平面上每單位 距離所經過的周期數。如果需要進行探 頭校正，則將測得的空間頻譜除以同一 掃描面上的探頭空間頻譜。這一操作等 同于近場測量域中的解卷積。通過計算 從內徑算起的位移的弧線乘以2π/λ，將 得到的AUT空間頻譜映射到方位角或仰 角的角遠區增益圖上。當使用其他掃描 表面或不同的掃描模式時，計算會更加 復雜，但基本的數學和物理原理是相同 的。 

  
  

  近場探頭選擇 選擇用于近場測量的探頭天線需 要有探頭空間濾波特性的知識?？臻g濾 波是指探頭的天線模式及其對測量結果 的影響。低增益探頭本質上是全向傳感 圖1：近場掃描儀在平面上移動開口波導探頭。資料來源： Concordia University in Montreal。 圖2：近場掃描儀對被測天線進行球形掃 描。

  
  

  TechnicalFeature 技術特寫器，在探頭和AUT之間的所有測量角度 上都具有幾乎恒定的增益。雖然低增益 探頭無需進行探頭校正，但它們更有可 能由于其低增益而接收到不需要的多徑 信號。 增益較高的探頭可提供更高水平的 空間濾波。它們具有角帶通濾波器的功 能。數據處理必須包括探頭校正，除非 探頭在所有測量中都直接指向AUT。單 脈沖或歸零天線具有角度帶阻濾波器的 功能。它們可以在測試系統中測量較低 的副瓣電平。而傳統的開口波導探頭天 線缺乏足夠的動態范圍來同時測量主瓣 和副瓣電平。 探頭天線的合理選擇取決于被測天 線、所用的掃描類型、測試環境中多路 徑效應的嚴重程度以及總體測量目標。 開口波導探頭天線通常比較受青睞，這 是因為其低成本、有效電場采樣、空間 濾波可忽略不計、對電磁場的干擾也最 小等優點。圖3顯示的是Eravant的D波段 開口波導探頭天線。其6.5dBi增益和60 度的3dB波束寬度，在很大的測量角度 范圍內幾乎是全向的。由于建造大型掃 描系統的成本較高，探頭與AUT之間的 距離可能較小。這種探頭通常用于球形 掃描系統中。 對于平面近場掃描，增益較高的 探頭具有明顯優勢。常見的選擇是軸對 稱的波紋喇叭天線與正交模式傳感器 （OMT）組合。OMT和波紋喇叭可同 時測量具有正交極化的信號。波紋喇叭 天線是平面掃描最有效的探頭天線之 一。圖4顯示了Eravant D波段波紋喇叭 與OMT組合的示例。這種配置在無需旋 轉天線物理位置的情況下可同時完成正 交極化等測量。波紋喇叭具有高度對稱 的E和H面波束和很低的副瓣水平，從而 可將多路徑效應引起的偏軸響應降至最 低。探頭的較高增益還能降低滿足奈奎 斯特采樣標準所需的采樣密度。此外， 較高的天線增益還能提高測量系統的整 體信噪比（SNR）以增加天線系統的測 量動態范圍。與低增益探頭天線相比， 它可以幫助降低天線測量系統對發射機 的高功率和接受機的高靈敏度的要求以 實現更遠距離的測量。 但使用較高增益探頭時出現的一個 復雜問題是需要補償探頭的空間濾波效 應。不過在處理近場數據時，探頭校正 是很容易完成的。還有增益較高的探頭 也有較大的孔徑，這會導致探頭與AUT 之間的相互耦合增大。不過Eravant OMT 波紋喇叭組合探頭天線的邊緣采用錐形 結構，這樣可以減少探頭反射。另外如 果在探頭天線或AUT上加上隔離器，可 以降低阻抗失配引起的反射，從而進一 步降低天線之間的相互耦合。 探頭的交叉極化響應也是測量誤差 的一個重要來源。因此，近場探頭天線 應具有較低的交叉極化。Eravant OMT 波紋喇叭組合探頭天線的高水平正交端 口隔離，較低的交叉極化和良好的阻抗 匹配對于抑制交叉極化帶來的誤差提供 了一個完美的解決方案。 

                                     

  
  

  總結 開口波導探頭天線和OMT波紋喇 叭組合探頭天線是近場天線測量系統中 最常用的兩種探頭天線類型。開口波導 探頭天線在較寬的波束寬度范圍內具有 近乎恒定的增益。是一種簡潔而低門檻 的探頭天線。而OMT波紋喇叭組合探頭 天線則具有較高的增益和很低的旁瓣， 可以減少多徑效應并提高測量系統的信 噪比。較高的增益還能降低所需的采樣 密度，從而縮短測量時間并減輕計算負 擔。OMT波紋喇叭組合探頭天線的角響 應是均勻的，很容易為探頭校正建模。 另外它還便于同時測量正交極化。還有 其優良的交叉耦合抑制度和附加隔離器 可使探頭天線與AUT之間的相互耦合進 一步降低，從而使測量精度更進一步提 高。因此OMT波紋喇叭組合探頭天線是 一種適用于近場天線測試系統的增強型 高性能探頭天線。