- 探究天線測試方案選擇
- 測量技巧在于選擇正確的天線測試場
- 具體取決于待測的天線
對天線與某個應用進行匹配需要進行精確的天線測量。天線工程師需要判斷天線將如何工作，以便確定天線是否適合特定的應用。這意味著要采用天線方向圖測量(APM)和硬件環內仿真(HiL)測量技術，在過去5年中，國防部門對這些技術的興趣已經越來越濃厚。雖然有許多不同的方法來開展這些測量，但沒有一種能適應各種場合的理想方法。例如，500MHz以下的低頻天線通常是使用錐形微波暗室(anechoic chamber)，這是20世紀60年代就出現的技術。遺憾的是，大多數現代天線測試工程師不熟悉這種非常經濟的技術，也不完全理解該技術的局限性(特別是在高于1GHz的時候)。因此，他們無法發揮這種技術的最大效用。
隨著對頻率低至100MHz的天線測量的興趣與日俱增，天線測試工程師理解各種天線測試方法(如錐形微波暗室)的優勢和局限的重要性就愈加突出。在測試天線時，天線測試工程師通常需測量許多參數，如輻射方向圖、增益、阻抗或極化特性。用于測試天線方向圖的技術之一是遠場測試，使用這種技術時待測天線 (AUT)安裝在發射天線的遠場范圍內。其它技術包括近場和反射面測試。選用哪種天線測試場取決于待測的天線。
為更好地理解選擇過程，可以考慮這種情況：典型的天線測量系統可以被分成兩個獨立的部分，即發射站和接收站。發射站由微波發射源、可選放大器、發射天線和連接接收站的通信鏈路組成。接收站由AUT、參考天線、接收機、本振(LO)信號源、射頻下變頻器、定位器、系統軟件和計算機組成。
在傳統的遠場天線測試場中，發射和接收天線分別位于對方的遠場處，兩者通常隔得足夠遠以模擬想要的工作環境。AUT被距離足夠遠的源天線所照射，以便在AUT的電氣孔徑上產生接近平面的波陣面。遠場測量可以在室內或室外測試場進行。室內測量通常是在微波暗室中進行。這種暗室有矩形的，也有錐形的，專門設計用來減少來自墻體、地板和天花板的反射(圖1)。在矩形微波暗室中，采用一種墻面吸波材料來減少反射。在錐形微波暗室中，錐體形狀被用來產生照射。
這些是典型的室內直射式測量系統，圖中分別為錐形(左)和矩形(右)測試場
圖1：這些是典型的室內直射式測量系統，圖中分別為錐形(左)和矩形(右)測試場。
近場和反射測量也可以在室內測試場進行，而且通常是近場或緊縮測試場。在緊縮測試場中，反射面會產生一個平面波，用于模擬遠場行為。這使得可以在長度比遠場距離短的測試場中對天線進行測量。在近場測試場中，AUT被放置在近場，接近天線的表面上的場被測量。隨后測量數據經過數學轉換，即可獲得遠場行為 (圖2)。圖3顯示了在緊縮測試場中由靜區上的反射面產生的平面波。
圖2：在緊縮測試場，平坦波形是由反射測量產生。
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假設天線測試工程師想要在低頻下進行測量。國防部門對此尤感其興趣，因為他們需要研究諸如在低頻下使用天線等事項，以便更好地穿透探地雷達 (GPR)系統中的結構(針對工作在400MHz范圍的射頻識別(RFID)標簽)，以及支持更高效的無線電設備(如軟件定義無線電(SDR))和數字遙感無線電設備。在這種情況下，微波暗室可以為室內遠場測量提供足夠好的環境。
矩形和錐形是兩種常見的微波暗室類型，即所謂的直接照射方法。每種暗室都有不同的物理尺寸，因此會有不同的電磁行為。矩形微波暗室處于一種真正的自動空間狀態，而錐形暗室利用反射形成類似自由空間的行為。由于使用了反射的射線，因此最終形成的是準自由而非真正自由的空間。
眾所周知，矩形暗室比較容易制造，在低頻情況下的物理尺寸非常大，而且隨著頻率的提高工作性能會更好。相反，錐形暗室制造起來較復雜，也更長一些，但寬度和高度比矩陣暗室要小。隨著頻率的提高(如2GHz以上)，對錐形暗室的操作必須十分小心才能確保達到足夠高的性能。
通過研究每種暗室中使用的吸波措施可以更清楚地認識矩形和錐形暗室之間的區別。在矩形暗室中，關鍵是要減小被稱為靜區(QZ)的暗室區域中的反射能量。靜區電平是進入靜區的反射射線與從源天線到靜區的直接射線之差，單位是dB。對于給定的靜區電平，這意味著后墻要求的正常反射率需等于或大于要達到的靜區電平。
由于矩形暗室中的反射是一種斜入射，這會使吸波材料的效率打折扣，因此側墻非常關鍵。但是，由于存在源天線的增益，只有較少的能量照射到側墻(地板和天花板)，因此增益差加上斜入射反射率必須大于或等于靜區反射率水平。
通常只有源和靜區之間存在鏡面反射的側墻區域需要昂貴的側墻吸波材料。在其它的例子中(例如在位于源后面的發射端墻處)，可以使用更短的吸波材料。在靜區周圍一般使用楔形吸波材料，這樣有助于減少任何后向散射，并防止對測量造成負面影響。
錐形暗室中采用什么吸波措施呢？開發這種暗室的最初目的是為了規避矩形暗室在頻率低于500MHz時的局限性。在這些低頻頻段，矩形暗室不得不使用低效率天線，而且必須增加側墻吸波材料的厚度來減少反射并提高性能。同樣，必須增加暗室尺寸以適應更大的吸波材料。采用較小的天線不是解決之道，因為更低的增益意味著側墻吸波材料仍必須增大尺寸。
錐形暗室沒有消除鏡面反射。錐體形狀使鏡面區域更接近饋源(源天線的孔徑)，因此鏡面反射成為照射的一部分。鏡面區域可以用來通過形成一組并行射線入射進靜區，從而產生照射。如圖3所示，最終的靜區幅度和相位錐度接近自由空間中的期望值。
圖3：在緊縮測試場中由靜區上的反射面產生的平面波。
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在錐形暗室中，源天線非常關鍵，特別是在較高頻率時(如2GHz以上)，此時暗室行為對細小的變化更加敏感(圖4)。整個錐體的角度和處理也很重要。角度必須保持恒定，因為錐體部分角度的任何變化將引起照射誤差。因此測量時保持連續的角度是實現良好錐形性能的關鍵。
圖4：在典型的錐形暗室中，吸波材料的布局看起來很簡單，但離源天線較近的區域(錐形暗區域)非常重要。
表中提供了典型錐形微波暗室的特性，可以用來與典型的矩形暗室作比較。較少量的錐形吸波材料意味著更小的暗室，因此成本更低。這兩種暗室提供基本相同的性能。不過需要注意的是，矩形暗室要想達到與錐形暗室相同的性能，必須做得更大，采用更長的吸波材料和數量更多的吸波材料。
圖5：一個用于天線測試的200MHz至40GHz小型錐形暗室。
雖然從前面的討論中可以清楚地知道，在低頻時錐形暗室可以比矩形暗室提供更多的優勢，但測量數據表明錐形暗室具有真正的可用性。圖5 是一個200MHz至40GHz的小型錐形暗室，外形尺寸為12×12×36英尺，靜區大小為1.2米。這里采用了一個雙脊寬帶喇叭天線照射較低頻率的靜區。然后利用安捷倫(Agilent)公司的N9030A PXA頻譜分析儀以一個對數周期天線測量靜區。在200MHz點測得的反射率大于30Db(如圖6所示)。圖7 和圖8分別顯示了饋源頂部的源天線和靜區中的掃描天線。
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圖6：從圖中可以看出，在200MHz點測得的反射率大于30dB。
圖7：圖中測試采用雙脊喇叭作為源。
有許多像APM和HiL那樣的不同方法可進行天線測量。測量技巧在于選擇正確的天線測試場，具體取決于待測的天線。對于中型天線(10個波長大小)，推薦使用遠場測試場。另一方面，錐形暗室可以為低于500MHz的頻率提供更好的解決方案。它們也可以用于2GHz以上的頻率，但操作時需要備加小心才能確保獲得足夠好的性能。通過了解錐形微波暗室的正確使用，今天的天線測試工程師可以使用非常有用的工具開展100MHz至300MHz以及UHF范圍的天線測量。
圖8：圖中測試采用一個對數周期天線來掃描QZ以測量反射率。
