硬件分系统的基本概念和应用

图10-52　近区场测量的非变频方案

系统由测量扫描支架、近场测试探头、待测天线支架、微波暗室、测量控制箱、控制器和矢量网络分析仪组成（图10-52）。将待测天线AUT作为发射端，测试探头作为发射端（可根据实际情况变换）。一个端口发射信号，另一端口作为接收端口。在各扫描点测量接收信号b和发射信号a的比值（幅度、相位）。在必要的情况下，可以用功率放大器将发射信号放大，在接收天线后采用低噪声放大器提高系统灵敏度。测量控制器控制扫描过程、测试转台、探头极化方式、仪器状态和测量结果采集、计算和结果输出等。系统可以利用近场扫描测试采集到的数据，通过反演变换技术，得到天线口径场的幅相分布，实现对天线的“诊断”。特别是对于阵列天线、相控阵天线来说，口径场诊断功能可快速找出天线阵列中失效单元和失效组件的位置，并可实现对有源相控阵的相位校准，为缩短天线的研制周期，提高效率，提供了快速有效的手段。

硬件分系统又可进一步分为测试暗室子系统——包括无反射测试室及附属机构，采样架子系统——包括多轴采样架及多轴步进电机、多轴运动控制器、伺服驱动器、工业控制计算机及外设等，信号链路子系统——包括矢量网络分析仪系统（或者时域信号源及时域接收机）、数据处理计算机及外设等。其核心是采样架子系统。

根据执行的是频域测试还是时域测试，硬件分系统存在明显的区别。时域近场测量系统是在频域近场测量系统的基础上发展起来的。时域近场测量系统同频域近场测量系统的不同之处在于信号源、接收设备、探头方面。频域测试系统的信号链路一般以矢量网络分析仪系统为中心组织，测试探头一般选用各个波段标准波导开口天线，而时域系统一般采用窄脉冲发生器作为测试信号源，以采样接收机作为近场测试信号接收设备，在信号源与接收机之间采用外触发同步方式，测试探头则需采用超宽带天线。

测试暗室子系统主要承担着测试系统电磁环境保障的任务；采样架子系统是硬件系统的核心，它的任务是根据用户的设置或指令，带动探头按预设的方式运动，并实时反馈位置和速度信息，在中心计算机的控制下，与信号链路子系统相配合，完成采样任务；信号链路子系统完成信号的产生、传输、辐射、接收和采集。

1）测试暗室子系统

近场测量通常在暗室内进行。暗室又称为电波暗室，有的暗室又被称为微波暗室、无反射室等。暗室的作用首先是防止外来电磁波的干扰，使测量活动不受外界电磁环境的影响，防止测试信号向外辐射形成干扰源，污染电磁环境，对其他电子设备造成干扰。其次，在暗室中进行测试可以做到保密和避免外来电磁干扰，工作稳定可靠。最后，在暗室这一室内测试环境下执行测试可以做到全天候工作，不受环境因素干扰。

一般电波暗室可分为两类：电磁兼容测试的电波暗室和天线测试电波暗室。

就天线测试电波暗室来说，其主要功能是模拟自由空间环境，因此电波暗室的六个面全部粘贴吸波材料，在主反射区粘贴比其他区域性能更优质的吸波材料。在理想状态下暗室各个方向都应无电磁波反射，这是建造天线测试电波暗室的原则。

一般来说，进行天线测试的暗室对电磁屏蔽没有严格的要求，有的甚至不需要单独设计屏蔽体进行屏蔽，直接在墙壁上粘贴吸波材料即可，利用建筑墙壁和吸波材料对电磁波的屏蔽和吸收效果即可满足要求。不过，这当然还要看建造暗室地点的电磁环境如何，电磁环境不同其要求也不一样。如果建造暗室的地点周边电磁环境较差，可能影响到测试结果时，或者在天线测试时辐射功率较大，可能影响到周围的电磁环境时，则需考虑建造合适的屏蔽体进行屏蔽。

一般来说频率范围应满足测试需要，例如，对于一个测量雷达天线所用的大型微波暗室来说，还需主要考虑吸波材料的功率容量等问题。就暗室规模来说，用于进行远场测试的电波暗室，当然应该考虑暗室空间需符合远场测试条件。

2）采样架子系统

采样架子系统是近场测量硬件系统的核心，其主要包含采样架本体和伺服系统两部分。采样架的功能是带动近场测试探头在待测天线近场范围内进行扫描取样，典型的多轴采样架有水平、垂直、伸缩、极化四个自由度，每个自由度可由程序独立控制。

目前绝大多数平面近场测量都采用垂直面采样模式，因为这种模式最易使采样架实现高精度和大的采样范围。垂直面采样模式要求被测天线的口径也是垂直放置的，但在一些特殊情况下，被测天线的口径无法垂直放置（如星载大口径编织型反射面天线在地面测量时其口径只能水平张开，又如一些车载或舰载相控阵天线的口经只能是倾斜的），此时就要求采样架迁就被测天线。目前已开发出了水平面采样架和任意倾斜面采样架，对于任意倾斜面采样架来说（当然它也可以进行垂直面和水平面采样），一种高效的设计就是高精度的摇臂和大承载固定面采样架的组合。在这种设计中，原来装载探头的位置用来装载摇臂，摇臂可以在正交的两轴自由旋转，而探头装在摇臂上。

3）信号链路分系统

对于频域近场测试而言，构成信号链路的核心是矢量网络分析仪系统。在待测天线和探头之间，形成了一个由开放空间联系起来的一个广义二端口系统，对应于每一个采样点，通过矢量网络分析仪测试得到一个S2，参数，遍历到所有采样点后，即可获知待测天线近场扫描面上的近场幅度分布和相位分布。这一矢量网络分析仪系统的设计与远场测试系统非常类似，这里不再赘述。(https://www.xing528.com)

而对时域近场测试来说，它是用一个时域脉冲去激励被测天线，与时域接收设备相连的探头在采样架的带动下在一个采样面上（一般来说是平面）采集被测天线的时域近场，进而利用所采得的时域近场通过近远场变换算出被测天线的远场，以及再通过口面反演算出被测天线的口径场。其中信号链路分系统担负着信号由产生、传输、辐射、接收直至采集的任务。信号链路分系统的框图如图10-53所示。

图10-53　信号链路分系统框图

在图10-53中，信号链路的源即为一窄脉冲信号源，信号源的脉冲频谱应能覆盖被测天线的全通带，为了提高信号源输出能量的利用效率，最好脉冲信号源能有波形设计的能力，即是一个任意波形发生器。但目前市场上宽频带的（达到5 GHz以上带宽）任意波形发生器的价格十分昂贵，所以在一般情况下，采用一种突波发生器作为激励源。突波发生器可以看成是一种粗糙的脉冲信号源，其信号的波形形状不像一般的脉冲信号源一样有明确而又严格的指标，一般只能对其信号幅度和脉冲宽度进行界定，并且其输出波形是单一固定的，只能对其幅度和重复周期进行控制。

仪器系统由四端口矢量网络分析仪、各频段测量波导探头、混频器、定向耦合器、功率放大器、功率分配器、仪器控制器（工作站）以及相应的测控软件、数据处理软件组成。随着深空探测、星间通信、天文观测等领域的不断发展，天线工作频段也向着亚毫米波、太赫兹的频段不断发展，对更高频段的天线测试技术提出了需求。随着毫米波部件技术的不断发展和成熟，随着测试及系统集成技术的不断进步，天线测试系统将具有更高频段的测试能力。

将待测天线作为发射端，而探头作为接收端（可以根据具体情况进行收发转换），在发射端，由网络分析仪产生信号（如需要可增加功率放大器，将测试频段的输出功率放大到所需的电平）通过定向耦合器耦合部分功率作为参考信号，输入至网络分析仪，在高频段（如X波段以上）为了减少路径损耗和路径相位的变化，参考信号通过混频变化为较低的频率（中频）输入至网络分析仪。网络分析仪的接收通道可以自由设定接收机的频率至中频。

本振信号由网络分析仪第二个独立的源产生，经过功率分配器等分两路，放大到足够的电平，供参考支路和接收支路混频器作为本振信号，多路开关矩阵用来进行多路切换，可以进行多极化、多通路天线的测试，如单脉冲天线的测试。

接收端通常由波导探头作为接收天线，通过混频器将接收信号变换为中频信号送至网络分析仪的接收通道。网络分析仪比较参考信号和接收信号的幅度和相位，通过对系统的校准从而得到天线近区场的幅度和相位。网络分析仪的工作可以设定为扫频、点频、步进扫频、列表模式，可以快速测试多频点的多通道的数据。与机械扫描方式相配合，可以完成近区场的完整的扫描测试。

4）转台与扫描架

天线转台是远场测量系统的关键部件之一。在远场测试中，转台的作用是安装待测天线，可精确改变天线在空间的机械指向，并调整天线与转轴的相对位置，使其相位中心尽可能接近测试转台的旋转轴。根据不同的测试需求，转台可以有很多种自由度。

（1）控制、伺服驱动子系统

控制部分是远场测量系统的控制中心。转台各轴在控制系统的统一指挥下，按照预定轨迹进行运动。同时控制矢量网络分析仪进行采样。一般情况下，转台的伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驱动电机采用交流伺服电机，并同时配有速度反馈和位置反馈。在测量中随时检测转台的实际位置，并及时反馈给控制卡中的比较器，它与插补运算所得的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而驱动转台以消除位置误差。

（2）机械扫描架

扫描架一般分两种形式，框架式和塔式。框架式扫描架：结构轻，驱动容易，造价低，尺寸通常小于5 m，框架的电磁散射影响较大。塔式扫描架：精度高，适于大扫描架，精度高且容易控制。

5）测控处理软件

控制转台、扫描架及待测天线状态（极化方向）、测量天线的极化切换，控制矢量网络分析仪进行远场信息的采集、数据处理、获得的方向图等远场测量结果，显示、打印、绘图输出。近场测量中，测控软件控制扫描架运动，并采集幅相信息，推演远场参数，并支持测试过程中的校准、诊断等功能。

自动控制转台的方位、俯仰轴的起止角度和转动速度；自动选择测试模式（点频或扫频模式下的测试频率、信号源功率等）；自动读取方向图的电参数特性（如3 dB波束宽度、副瓣电平、前后比）；输出各种格式的方向图文件等。这是我们系统测试软件的操作界面，主要包括了设置区域、显示区域两个部分：设置区域主要实现测试参数设置、仪器设置、转台设置等部分，显示区域中包含了测量结果的显示和控制等。