低增益GPS天线方向图的微波暗室测试方法＊

贾耀成，张景鹏，郑少超

（西安机电信息技术研究所，西安710065）

全球卫星定位系统（Global Positioning Systen，GPS）是通过接收卫星信号进行定位和导航的．卫星信号接收系统里的第一环节就是接收天线（GPS天线），而且GPS定位系统获取卫星信号的能力、定位的精确度、接收信号的稳定性等都与接收天线（GPS天线）的技术参数息息相关［1］．经过对GPS天线技术参数的测试，可以充分确认GPS天线在特定应用场合各技术参数的合理性和正确性．所以对GPS天线技术参数的测试是天线设计和调整的重要手段［2］．

GPS天线因使用场合不同，增益相差很大．一般用于车载、船载和基站等场合的GPS天线（外置天线），因其外形体积没有太大的限制（天线体积在50cm×50cm～100cm×100cm），所以紧附在天线之后的低噪声放大器功率增益就可做得较大（一般在20～50dB之间甚至更大），天线输出端信号功率可以达到-80dBm以上，该信号功率电平与天线测试系统内用于反映被测天线输出端信号强度的场强信号接收机灵敏度（一般在-80dBm左右）［3］相匹配，测试场地可选择在室外也可选择室内．受自身体积的限制，许多小设备的内置式小型微带GPS天线（内置天线）后的低噪声放大器功率增益只有10dB左右，天线输出端信号功率在-120dBm以下，该类天线一般称为低增益GPS天线．因体积小，一般不选择外场而是选择在微波暗室这样的测试场中完成该类天线的测试．随之带来的问题是：在微波暗室对该类低增益GPS天线进行测量时，由于受测试条件和待测天线附带放大器增益和输出信号动态范围的限制，由GPS卫星接收天线直接馈送给场强测量接收机的信号功率电平无法达该设备低灵敏度要求值，即就是在被测GPS天线输出端与后端场强信号接收机之间存在约40dB的信号差，使得所测得的信号电平无法通过场强信号接收机及数据处理终端判读．因此使用常规GPS天线测试方法就不能完成类似低增益GPS天线方向图的测试．因此本文提出了一种低增益GPS天线方向图的微波暗室测试方法．

1 常规GPS天线的测试方法

1．1 GPS天线的分类

常规GPS天线被称其为外置天线．小增益微带GPS天线被称其为内置天线．其中小增益GPS天线外形如图1所示．

图1 小增益GPS天线外形Fig．1 The shape of low-gain GPS antenna

1．2 常规GPS天线的测试方法

常规GPS天线的测试方法［4］如图2所示．图2中常规GPS天线的总体测试架构类似于普通无源天线，主要变化是需要增加一个天线隔离器，把DC／DC直流信号隔离，使其不能输入到测试系统，同时又给GPS天线供电．无源天线测量系统中，待测天线与标准天线满足收发互易原理［4］，即天线的电参数不因它工作于发射状态或接收状态而异，什么场合下待测天线工作于发射状态，什么场合下工作于接收状态，都可根据测试内容及测试环境条件的方便程度而定，即待测天线无论是作为发射天线还是作为接收天线，均可获得同等的测试结果．

图2 常规GPS天线的测试方法Fig．2 Conventional test method of the GPS antenna

无源天线是天线内部自身不带工作电源，而有源天线是天线内部自身带有工作电源以供低噪声增益放大器用．而在有源天线的测量系统中，被测天线只能位于接收端，与发射源天线之间不满足收发互易原理GPS天线属有源天线，内含有低噪声增益放大器，工作模式为纯接收方式．

对GPS天线进行测试时需对测试系统进行相关特殊设置，使天线探头从原来的接收状态改为发射状态，GPS天线接收信号后，经射频再传给后级网络分析仪作数据处理．在进行天线测量之前，应对发射与接收回路之间的电信号通道进行估算，预估出到达场强信号接收机输入端的信号强度［5］

式中：Pr为场强信号接收机输入端的信号功率；P0为发射天线的输入功率；Gt为发射天线的增益；Gr待测天线的增益；R为收发天线的距离；λ为工作波长；N为待测天线的副瓣电平．

为了确保测试精度，一般应使最大接收功率电平大于接收机低灵敏度约20dB左右．

对外置GPS天线测试进行时，只需要在测试系统的信号接收回路中的天线转台支路上使用一个天线隔离器，解决被测GPS天线供电及直流信号隔离问题．在测试链路中被测天线体积没有限制，紧附在其后的低噪声放大器功率增益可以较大，这样发射与接收回路之间的信号电平关系就会满足式（1）的要求且有20dB左右的余量．

1．3 接口转换装置

由于低增益GPS天线的性能测试中出现了由于被测GPS天线附带放大器动态范围的限制，使输出信号的功率无法达到微波暗室场强接收机所要求的功率电平．因此，需要在测试时对测试系统进行相关特殊设置，即加装天线接口转换装置［6］．为解决微波暗室场强接收机灵敏度不足和被测GPS天线与后级设备之间的阻抗匹配等问题，文献［5］提出了接口转换装置［6］，其主要作用是

1）将输入到场强信号接收机端口的信号功率电平提高到所需的量值范围（-80dBm以上）；

2）解决了被测GPS天线与场强信号接收机之间的阻抗不匹配问题．接口转换装置的输入阻抗与被测GPS天线的输出阻抗必须严格相等；接口转换装置的输出阻抗与场强信号接收机的输入阻抗严格相等，这样就保证了整个信号测试回路的驻波为最低；

3）将天线供电、隔离功能由原来的被测天线与测试转台支路转移至被测天线与场强信号接收机支路，替代了原常规GPS天线测试接收回路里的天线隔离器．

2 低增益GPS天线方向图的微波暗室测试方法

在微波暗室进行低增益GPS天线性能参数测试的方法如图3所示．

图3所示的低增益GPS天线微波暗室测试系统包含有信号发射回路和信号接收回路．信号发射回路负责给发射源天线（标准天线）馈一为1 575 MHz、输出功率为-40dBm左右的射频信号．并控制发射源天线位于被测GPS天线的正前方且保持同样的高度．信号接收回路负责接收由标准源天线辐射出的射频信号经被测天线、场强信号接收机、数据处理，在显示终端将被测天线的方向图显示出来．

图3 低增益GPS天线方向图的微波暗室测试方法Fig．3 Pattern test of low-gain GPS antenna in anechoic chamber

该方法与常规GPS天线测试方法的不同之处在于：① 在被测GPS天线与场强信号接收机之间插入了接口转换装置；② 去掉了天线隔离器，解决了整个测试接收回路的信号差问题，保证了天线测试功能的完整性．

图3中收发信号回路之间信号电平关系为

其中GΔ≥40，单位为dB．GΔ为解决在被测天线与场强信号接收机之间增加的接口转换装置的增益．除接口转换装置外，还要求

1）用非金属支架将天线支起来，使其与发射源天线在高度上保持一致．在外置GPS天线测试中，由于被测天线的体积相对较大，只要将其放置在发射源天线对面即基本满足要求．而对于内置低增益GPS天线而言，由于其自身体积较小，二者在高度上不相等就会引入较大的测角误差，测得的方向图不是主面的方向图，而是圆锥切割方向图．为了使其能够与发射源天线在高度上保持一致就必须有一个支架将其支起来．如果天线支架是金属体就会对发射源信号有反射作用，整个信号接收回路内的驻波参数发生了变化，从而影响了被测GPS天线对发射源信号的接收．因此支架材料必须是非金属材料．

2）发射源天线的波束中心点必须完全对准被测天线的物理中心，以保证所测试方图的360°圆周性．在外置GPS天线测试中，由于被测天线的体积相对较大，中心偏10mm相对尺寸误差只有百分之几，而低增益GPS天线的体积较小，体积一般15mm×15mm左右，中心偏10mm相对尺寸误差可达100%，方向图会畸变得不能容忍，所以测试前必须精心调整．

3）增加屏蔽线焊点，以保证被测天线的馈点强度．低增益GPS天线的馈电点在其正下方的中间处，馈电点的体积一般在∅1．5mm左右．如果只将测试电缆线的芯线直接焊接到此点而周围不采取任何保护措施情况下，在天线转动或者在实际操作过程中就容易使天线的馈电点脱落．如果同时将测试电缆线的外层屏蔽线分为两份分别焊接在馈电点两侧如图4所示，在馈电点两端形成两个支点，增强了馈电点的强度，避免在测试过程中测试电缆反复转动造成被测天线馈电点因为受力而出现脱落现象．

将40dB的信号增益补充进整个测试回路才能实现整个被测低增益GPS天线接收信号电平完整地链接；同时在测试过程确保收、发天线的高度一致；源天线的波束中心点与被测天线的物理中心完全对准；被测天线馈点强度等工程技术措施就可实现低增益GPS天线在微波暗室方向图的测试．

图4 被测天线馈电点、测试电缆线芯线、测试电缆线的屏蔽层三者之间的焊接关系Fig．4 The welding positions of feed point of tested antenna，cable core and cable shielding layer

3 实际测试

实际测试中，选择中心频率为1 575MHz的10dB增益的GPS天线来进行测试验证．整个测试系统主要由信号发射回路、信号接收回路组成．信号发射回路主要完成卫星信号的产生与发射，如图2所示；信号接收回路主要完成信号的接收、放大，如图3所示．测试中发射天线固定不动，待测GPS天线受转台控制进行水平和垂直两方向360°旋转．GPS天线方向图的测量通过天线的水平、垂直360°旋转、连续地接收回波幅值获取．测试时发射源天线发射出一1 575MHz±10MHz的射频功率信号，通过被测GPS天线接收输入到接口转换装置再输出到场强信号接收机，最后通过数据显示终端显示测量结果．表1为中心频率为1 575 MHz GPS天线实测数据（归一化后数据）．

图5为中心频率1 575MHz、增益为10dB左右的GPS天线实际测试所获得的天线方向图．表2为该天线实测数据与理论设计之间的对照．

由表1～2可知，实际测试所获得小增益GPS天线主瓣增益、3dB带宽与理论设计基本相符，副瓣增益、3dB带宽数据略差于理论设计值．小增益GPS天线接收信号时一般只使用主瓣作为信号接收方向，副瓣位于天线设备内部不会用来接收信号．

表1 中心频率1 575MHz、增益约为10dB的GPS天线的实测数据Tab．1 The measured data of GPS antenna with center frequency of 1 575MHz，gain of 10dB

图5 中心频率1 575MHz、增益约为10dB的GPS天线测试方向图Fig．5 The tested pattern of GPS antenna with center frequency of 1 575MHz，gain of 10dB

表2 天线实测数据与理论设计之间的对照Tab．2 Comparison between the measured data and theoretical design of the antenna

4 结 论

本文提出一种微波暗室中低增益GPS天线方向图的测试方法．该测试方法在测试回路中通过去掉常规GPS天线测试方法中的天线隔离器、增加能够将输入到场强信号接收机端口的信号功率电平提高到所需的量值范围的接口转换装置．在实际测试过程中采用非金属支架保证被测天线与发射源天线在测试高度一致、发射源天线的波束中心与被测天线的物理中心完全对准保证所测试方图的360°圆周性、增加屏蔽线焊点保证被测天线的馈点强度等3项技术措施保证被测天线方向图的理想获取．通过在微波暗室对中心频率为1 575MHz、增益为10dB左右的GPS天线方向图进行测量证明该测试方法可行．

［1］ 刘振强，王利，徐超，等．基于高速单片机的弹载GPS信号采集［J］．探测与控制学报，2010，32（6）：42．LIU Zhen-qiang，WANG Li，XU Chao，et al．Based on High Speed Single Chip Microcomputer Onboard GPS Signal Acquisition［J］．Detection and Control of Learning，2010，32（6）：42．（in Chinese）

［2］ 刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法［M］．北京：科学出版社，2000．LIU Ji-yu．GPS Satellite Navigation and Positioning Principle and Methed［M］．Beijing：Science Press，2000．（in Chinese）

［3］ 中国电子科技集团公司第十四所．电子测量仪器［S］．南京：中国电子科技集团公司第十四所，2014～2015．China Electronics Technology Group Co，LTD．No．14．Electronic Measuring Instrument［S］．Nanjing：China Electronics Technology Group CO．，LTD．NO．14，2014～2015．（in Chinese）

［4］ 张福顺．天线测量［M］．西安：西安电子科技大学出版社，1995．ZHANG Fu-shun．Practical Manual of Antenna Measurements［M］．Xi’an：Xidian University Press，1995．（in Chinese）

［5］ 王玖珍，薛正辉．天线测量实用手册［M］．北京：人民邮电出版社，2013．WANG Jiu-zhen，XUE Zheng-hui．Practical Manual Ntenna Measurements［M］．Beijing：People’s Posts and Telecommunications Publishing House，2013．（in Chinese）

［6］ 郑少超，胡淑巧，王正国，等．卫星定位有源天线性能测试用接口转换装置［J］．现代电子技术，2012，35（5）：105．ZHENG Shao-chao，HU Shu-qiao，WANG Zhengguo，et al．Interface Conversion Device of GPS Active Antenna Performance Test［J］．The Modern Electronic Technology，2012，35（5）：105．（in Chinese）

【相关参考文献链接】

徐振华，黄建国，卫哲．幅度锥化低旁瓣和差波束方向图合成新方法［J］．2010，30（3）：275．

韩璐，段哲民，景占荣．一种基于GPS载波单差相位的鲁棒快速迭代定姿算法［J］．2010，30（2）：182．

魏伟，秦永元，张晓冬，等．H∞滤波在惯导／GPS组合导航应用的比较分析［J］．2012，32（11）：874．

谭宝成，邓子豪．GPS导航系统下坐标转换及应用［J］．2014，34（6）：504．