本文介紹了如何透過可經由區域網路(LAN)介面遠端操控的兩個單埠向量網路分析儀(VNA)組合,為簡單的天線特性化實現低成本的純量傳輸測量。文中包括實際的測量結果,顯示如何以非常有限的投資進行天線場型和天線增益測量。

天線的測量通常昂貴且複雜,而且得花費很長的時間才能顯示結果。雖然VNA是當今用於測量頻率相關參數的標準工具,但它的缺點是為了擴展VNA埠至理想的天線位置,幾乎都會引發電纜損耗等問題。

然而,正如本文中所描述的計劃,諸如安立知(Anritsu)的MS46121A單埠分析儀等VNA可以為簡單的天線測量提供具有價值且可負擔的工具,而且所測得的天線特性化接近製造商的規格。

學術研究計劃

該研究計劃的背景是德國亞琛工業大學(RWTH Aachen University)高頻技術研究所的一名研究生進行的研究,並由安立知公司提供支援。

該研究生的任務在於設計和開發一款步進馬達硬體概念與控制軟體,用於待測天線的方位旋轉控制。另一個要求是在MATLAB環境中對天線輻射場型和天線增益進行視覺化處理。

安立知為該研究計劃提供了必要的VNA硬體、步進馬達、天線腳架,以及一款Schwarzbeck USLP 9142天線。亞琛工業大學負責該研究計劃的設計、開發和實現。在2015年德國微波會議(German Microwave Conference)上成功進行展示後,雙方同意擴大該研究計劃以取得一些實際成果。

實驗設置

MS46121A是一款功能齊全的單埠USB向量分析儀模組,包括時域測量功能。測試工程師可為其添加第二個模組,以便執行純量的傳輸測量,如S21測試。在此設置中,任一個模組都可用以作為激勵來源,另一個模組則作為完全向量校正(校準)的接收器。對於天線測量概念,這兩個模組就足夠了。至於像多頻天線測試等複雜應用,則可以使用多達16個VNA模組;一個作為激勵源,剩下的15個作為接收器。

該系統由使用者經由安裝Windows 7或更高版本作業系統(OS)的外接PC或筆記型電腦進行控制,安立知則提供了ShockLine VNA軟體。MS46121A的選項(021)可實現純量測量(|S21|, |S12|)功能,其中每個附加模組顯示為單獨的實體測量通道。主動式選定通道始終作為激勵源,並可透過回應功能表(S11, S22 … S16 16)選擇接收埠。

另一個選項(002)提供具有時間閘控功能的帶通和低通時域測量,可用於測量諸如故障距離或阻抗等參數。

對於天線的測量,VNA的基準是動態範圍、激勵功率和測量掃描。限制動態範圍的主要因素之一來自於使用長的VNA測試埠電纜時,存在固有的高插入損耗和受限的VNA激勵功率。

理想的設置是將VNA硬體直接連接到天線,而無需使用任何電纜,並且藉由以乙太網路(Ethernet) LAN鏈路展延到PC的低成本USB集線器傳輸測量資料。以這種方式,可以避免不必要的損耗,並節省昂貴的長測試埠電纜費用。其結果是動態範圍得到了改善。使用+3dBm (> 23.2MHz至4GHz)的激勵功率時,天線旁瓣在高達3GHz頻率範圍內都可以降至-30dB級;而在距離天線10m以內,這種設置都可進行預期的天線表徵。

天線特性

  • 必須測量的關鍵天線特性(圖1)為:
  • 輻射場型;
  • 天線半功率波束寬度(HPBW);
  • 天線旁瓣;
  • 天線增益。

20170927_Anritsu_TA31P1 圖1:主要的天線特性

增益測量基本上需要與其對應場型測量相同的環境。為了測量高於1GHz的天線增益,通常使用電波暗室。在0.1-1GHz之間使用地面反射範圍。

在該研究計劃範圍內,有三種不同的增益測量技術可用。前兩者是所謂的「絕對增益」測量:雙天線方法和三天線方法;而第三種是增益轉移(或增益比較)方法。

雙天線法基於Friis傳輸等式,需要兩個一樣的待測天線樣本:一個作為輻射天線,另一個作為接收天線。

當只有一個測試天線樣本可用時,建議使用三天線方法。接著,可以使用任兩支天線來執行三項測量,這使得全部的三支天線能個別計算其增益。這三種測量方法都在輻射和發射天線之間固定的已知距離下進行。

天線阻抗

透過天線終端的反射係數,可計算天線的輸入阻抗;天線終端連接到已知特性阻抗的傳輸線。如果得知反射係數的大小和相位,就可以計算出天線輸入阻抗。

由於實際的匹配條件,天線的增益會因為天線輸入阻抗與特性阻抗不匹配造成的損耗而減少。在減損後得到的增益稱為實際增益(realised gain)。

以我們的例子來看,在測量增益時,使用VNA直接連接到USLP 9143對數週期性的待測天線;該天線被連接到草坪上的三腳架。在700至2000MHz之間,以100MHz的步長、中頻頻寬為100Hz、激勵輸出為+3dBm等條件下為頻率範圍進行校準。

戶外天線範圍

天線的測量位置或天線範圍可分為戶外範圍或室內範圍(電波暗室)。根據測量原理,它們還可以分為反射範圍、自由空間範圍和緊密範圍。對於此類研究計劃,可以使用無反射傳播的自由空間範圍,類似所謂升高或傾斜的範圍。

在測量時,天線放置在接近遠場條件的Fraunhofer距離。將待測天線和儀器天線分開這一距離,足以為平面波途徑減少接收前導波的相位波前變化。

天線測試設置

根據指定的室外環境,傾斜範圍可根據邊長10.35m的等邊三角形與待測天線位於下坡頂點等條件加以調整。其中一個單埠VNA模組直接連接到安裝在Zaber旋轉台上的USLP 9143對數週期天線;另一個則連接到同樣固定在三腳架上的TDK精密對數週期天線(充當照明器)。

目的是在四個獨立頻率(700、800、1000和2000MHz)範圍驗證天線場型和增益。

待測天線安裝在三角形的頂點,「照明器」位於相對的一側,而標準的喇叭形增益天線則在另一側。這種安排確保以後計畫的增益測量不需要進行機械改變。距離及其相關的自由空間損耗(FSL)是恒定的,而且只需要以雷射重新對準就可以從天線場型切換到天線增益測量。

使用MATLAB腳本,透過ShockLine GUI軟體和Zaber步進馬達,即可控制ShockLine VNA模組。

測量結果

典型的增益結果如表1和表2所示,而圖2和圖3中的輻射場型則被規格化為瞄準線方向上的最大值,並以跨度為3的平均移動濾波器實施平滑處理。

20170927_Anritsu_TA31P2 表1:USLP 9143所用的增益計算法之間的定性差異

20170927_Anritsu_TA31P3 表2:SAS-571的指定和計算增益之間的定性差異

20170927_Anritsu_TA31P4 圖2:待測天線(USLP 9143)的相對增益

20170927_Anritsu_TA31P5 圖3:天線輻射場型結果

將這些結果與USLP 9143的供應商規格加以比較後顯示,形式和形狀是匹配的,但測得的結果並不像供應商提供的規格那麼流暢。這是由於非理想的環境(到大地的距離、接近測量區域的路燈柱與建築物等)導致反射所造成的。

結論

該測量計劃的目的在於證實:以主動式USB-LAN轉換器長距離連接安立知ShockLine單埠USB VNA MS46121A模組,在「非理想環境」下進行自由空間天線測量的可行性。

計畫的結果是在供應商的USLP 9143規格、天線輻射場型測量結果和實際增益之間進行的定性比較。結果顯示,即使不是在表徵天線特性的最佳環境,且以有限的測試和測量硬體投資,也可能提供相當準確的結果。實驗設置非常適用於VHF和UHF應用,這些領域的工程師都對於可證實其天線設計的快速測試結果備感興趣。