矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域功能在天線測量中的應用

前言

對于一個新天線，我們通常會關(guān)心它的駐波系數(shù)、增益和方向圖三個主要性能指標。在合適的微波暗室里，這三個指標用一臺矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和輔助的天線轉(zhuǎn)臺可以精確的測量，但是對于沒有波暗室，或者頻率較低而不適合在微波暗室里測試的天線，在有地面反射或附近有反射物的條件下測試，就會有測試誤差，這是天線工程師比較頭疼的事，以前沒有很好的解決方法。現(xiàn)在有一種簡單又徹底的方案, 我們只需在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中加入時域分析功能就可以得到精確的結(jié)果，下面我們就進行分析和介紹?！　?/P>

一． 頻域時域的傅立葉變換和FFT

我們知道，任一個信號既可以用頻域特征參數(shù)描述，也可以用時域特征參數(shù)描述，并且兩種描述可以通過傅氏變換和傅氏逆變換聯(lián)系起來。

X(f)= (1)

X(t)= (2)

在網(wǎng)絡(luò)分析儀中首先是把信號的波形取樣，再通過A/D變換、DSP微處理器接收取樣波形，利用FFT在一個窗口計算處理波形。理論上

最小分辨距離= (3)

最小分辨時間= (4)

最大測試距離=最小分辨距離x采樣點數(shù)量 (5)

f1為起始頻率，f2為終止頻率。

二． 天線的駐波系數(shù)測量和故障點定位

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測量天線的駐波系數(shù)時，一般情況下在天線主波束方向無遮擋，其它方向離反射點大于三個波長，測量的結(jié)果就幾乎不受環(huán)境的影響，這個測試條件容易滿足。但是，如果有時域功能，那么在調(diào)試天線的駐波系數(shù)時，在檢查天線系統(tǒng)有無故障時，就更直觀、更快捷。舉一例：設(shè)計一副串饋共軸天線陣，頻帶為：880MHZ-930MHZ，要求駐波系數(shù)（SWR）≦1.5。如圖1

圖1 GSM基站天線

這是一副由4節(jié)天線組成的天線陣，1-5各節(jié)點的反射都要影響端口的駐波系數(shù)，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能看端口的駐波系數(shù)，如果駐波系數(shù)較差，不知道那個節(jié)點影響最大，只能逐點猜測調(diào)整。假設(shè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀帶時域功能，就能看出每一節(jié)點的反射大小，知道那個節(jié)點對駐波系數(shù)的影響最大，就先調(diào)哪個節(jié)點，這樣有的放矢，研制效率就高。同樣在現(xiàn)場天線系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中，如果遇到有天線、饋線、分支器和多個連接頭的系統(tǒng)，用帶時域功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測，一眼就明了那個地方連接得好，哪個地方還沒連接好。圖2是用帶時域功能的矢網(wǎng)對上面GSM天線的測試實例，左圖是測試的回波損耗與位置的關(guān)系圖，右圖是回波損耗與頻率的關(guān)系圖，可以看出距端口1130mm的地方是最大反射點，如果對右圖的駐波還不滿意，我們看左圖，就清楚應繼續(xù)調(diào)整天線的哪個位置。

圖2 帶時域功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線駐波的應用

三． 天線的增益和方向圖測量

在天線外場測試中，地面或周圍環(huán)境的反射要對增益和方向圖的測量結(jié)果帶來或大或小的誤差。

1． 測量誤差分析

圖3 天線測試示意圖

如圖3，兩相距D米，高度為H米的收發(fā)天線架設(shè)在反射系數(shù)為r的地面上。因天線的方向性，假設(shè)發(fā)射天線輻射到O點的場強是最大值的倍，接收天線接收到O點反射波場強是其最大值的倍。接收天線的接收場強由直射波場強E1和反射波場強E2構(gòu)成。

兩波的路程差為:

(7)

假設(shè)直射波的場強E1歸一化為1，則

(8)

合成波的場強E為:

(9)

A．增益的測試誤差分析

天線的增益測量一般采用比較法，因為被測天線往往與標準天線的形狀不一樣，即使這兩種天線架設(shè)在同一位置，相位中心也不一定重合，假設(shè)被測天線比標準天線距發(fā)射天線近L米，則兩波的路程差變?yōu)?

(10)

合成波的場強為:

(11)

引起的增益誤差為：

(12)

B．方向圖測試誤差分析

同樣的道理，天線在旋轉(zhuǎn)過程中，有時相位中心沒在轉(zhuǎn)軸上，假設(shè)相位中心距轉(zhuǎn)軸的距離為L，轉(zhuǎn)動的起始角在收發(fā)天線的連線上。

則兩波的路程差為:

(13)

合成波的場強為:

(14)

圖4 合成波隨天線間距變化關(guān)系 圖5 合成波隨被測天線旋轉(zhuǎn)變化關(guān)系

圖4中取k1=0.4 k2=0.5 r=0.9 H=3 f=1GHz； 圖5中取k1=0.8 k2=0.9 r=0.9 H=3 D=10 L=0.2 f=1GHz 。如果只有直射波，歸一化場強為1；可看出反射波帶來±0.4倍（±2dB）左右的誤差。誤差可以通過減小地面反射系數(shù)，增加天線架設(shè)高度和提高發(fā)射天線的增益來減小，但很多時候不容易做到，最徹底的方法是采用時域技術(shù)去掉反射。

2． 時域應用方法

反射給我們的方向圖測試結(jié)果造成誤差，我們現(xiàn)在用安立公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B加時域功能OPTION2把它濾掉，其具體的方法是：

A．根據(jù)天線的架設(shè)情況計算出反射波與直射波的路程差和時延大小。比如：當D=10m,H=3m時，反射波與直射波的路程差為1.66m，時延為5.53E-9秒。

B．首先在頻域內(nèi)測量，根據(jù)實際選擇對應的頻率測量范圍。

在DOMAIN菜單下選擇FREQUENCY SET UP中的RANGE SET UP，用CENTER、SPAN設(shè)置。

C．VNA通過傅立葉反變換計算到時域。

按鍵APPL，DOMAIN將DISPLAY中TIME/DISTANCE選擇為TIME，再選擇TIME BAND。

D． 在時域中設(shè)置"門"，選擇需要通過或需要去除的響應。

通過GATE SETUP設(shè)置CENTER 和SPAN，去除延時的反射波。

E． 設(shè)置好后，讓測試系統(tǒng)每轉(zhuǎn)動一個角度，掃描記錄一次數(shù)據(jù)。

同時測得一個頻帶內(nèi)多頻點方向圖數(shù)組。

除了扣除一些指定的多余信號響應外，我們也可以運用ANTI-GATING功能只保留指定信號以外的的響應，其操作方法和GATE基本相同，只需要在GATE中的SPAN選擇負值即可，這樣就保留主要信號的響應而把其余一些信號響應均去除掉。

四． 總結(jié)

隨著現(xiàn)代電子測試技術(shù)的進步，許多以前無法測試或者無法精確測試的難題現(xiàn)在逐步的得到解決，上面的儀器功能和測試方法就是個例，矢網(wǎng)的時域功能對天線測試是非常實用的功能，把它介紹出來，供大家參考使用。

參考資料:

1.《天線測量》林昌祿著

2 MS462X矢網(wǎng)指南(Anritsu)

3. Time Domain for Vector Network Analyzers Application Note (Anritsu)