近场天线测量探头天线的选择

近场天线测量探头天线的选择

随着毫米波和亚太赫兹频谱新应用的不断增长，新型天线的研发和制造也日趋繁荣。这样对低成本、精确天线测量系统的需求也随之增加。射频和微波的天线暗室的造价对许多系统开发人员来说往往是高昂或难以承担的。因此天线设计的验证和验收测试通常采用第三方的暗室来完成。这样就造成高昂的测试费用和长时间的等待周期。然而由于毫米波和亚太赫兹频段的高频特性，相对天线的口径较小，因此天线测试暗室的占地面积也相对较小，这样使建造适用于产品研发和生产测试的天线暗室变得合理可行。

目前占地面积较小的天线测试暗室通常有近场测试系统和间接远场（紧缩场）测试系统。这类暗室被称为小尺寸天线测试系统。本文在提及（紧缩场）测试系统的同时，主要集中探讨近场测试系统的一些需要关注的问题，以及不同探头天线如何影响其测量速度和数据质量。

紧缩场测试系统通常使用大型反射天线或天线阵列向被测天线（AUT）投射平面波测试信号。发射天线保持静止，而被测天线则在方位角和俯仰角上旋转。只要发射天线向被测天线投射真正的平面波，发射源就会有效地等价地置于被测天线的远区，即使其实际物理位置在近场区域。在紧缩场测试系统内，AUT和发射天线之间信号路径上传输的功率与AUT的远区增益成正比。因此，紧缩场测试系统提供了一种在小尺寸暗室中获取天线参数的直接测量方法。不过，紧缩场测试系统的设计和建造是有一定难度的，而且它们的测量精度往往会受到各种因素的影响和限制。在毫米波和亚太赫兹频率范围，其中一些影响因素变得更加难以控制。

作为大型和昂贵的远场天线测试的替代方案，近场测试系统是利用更小的微波暗室来测量天线。近场测试系统在几个方面不同于紧缩场测试系统。近场测试系统使用移动探头天线来测量探头和AUT之间的传输响应。测量时，探头位于AUT近场区内的不同位置。扫描点的集合形成一个合成天线孔径，捕捉AUT在近场区内的天线方向图。

许多近场测试系统将探头置于平面扫描面上，如图1所示。平面扫描非常适合测量低副瓣的定向天线。AUT的定向天线模式允许在有限的扫描区域内捕捉天线辐射模式中的所有重要参数。

对于增益较低或高副瓣天线的测量，可以将探头置于球形或圆柱形扫描面上。球形近场扫描系统通常使用增益较低的探头，在接近孔径的角度近似全向天线。低增益探头天线允许探头相对于AUT的角度位置或姿态有更大的变化空间，而且在数据处理过程中通常无需进行探头校正。

为捕捉到AUT产生的所有重要近场能量，扫描面应足够大。所需的扫描区域和扫描类型通常由被测天线的副瓣偏移位置决定。作为平面和柱面扫描的经验法则，扫描高度应大致等于AUT高度加上探头天线高度，再加上AUT和探头之间距离的两倍乘以从主瓣视角看最大测量角的正切。例如，如果探头天线和AUT的高度均为1厘米（孔径为2×2厘米），它们之间的距离为20厘米，最大测量角度为±15度，则建议在孔径上方或下方的扫描高度为±2*[1+1+20tan(15°)]厘米，即±15厘米左右。

远区转换

探头天线和AUT之间传输路径的振幅和相位是从数学上将近场数据转换为远区天线方向图的关键。在大多数情况下，专用矢量网络分析仪可以完成这项测量任务。对于每次测量，探头的位置必须置放在工作频率的波长范围内。  

审核编辑：黄飞