1～110GHz近远场复合天线测试系统设计

中电科思仪科技股份有限公司 张文涛

随着天线频率向太赫兹频段拓展，高频段天线测试系统需求越来越紧迫，对于天线测试来说，通常有远场测试、紧缩场测试、近场测试三大类测试方法。远场测试系统优点在于测试速度快，不用经过电磁波转换和数据转换计算，测试精度高。但远场测试时，测试距离必须满足远场条件，太赫兹频段空间损耗高，对应频段的功放、低噪放增益小，由此带来的问题是系统动态范围小。紧缩场测试通过反射面实现了电磁波从球面波到平面波的转换，缩短了测试距离，解决了高频、大尺寸天线的测试问题，但紧缩场为了满足静区尺寸范围，需要加工尺寸较大的反射面，且太赫兹频段加工精度高（1/60λ），成本昂贵。近场测试通过利用扫描探头采集天线近场测试区域内幅相信息，再经过数学变换得到天线的远场特性。

通过设计近远场复合测试系统，使该系统在低频段可以采用近场或远场测试，高频段天线测试在不满足远场条件的前提下，可采用近场测试。从而完成高效、可复用、多种测试方法合一的天线测试系统设计。

1 系统方案

1.1 硬件技术方案

近远场天线测试系统由测试部分与控制部分组成，其中测试系统部分放在微波暗室中，主要由网络分析仪、太赫兹发射模块、太赫兹接收模块、扫描架、转台、近场测试探头、功率放大器、低噪声放大器、连接电缆等组成。

测试系统连接框图如图1所示。

图1 1～110GHz近远场复合天线测试系统框图

如图1所示，1～40GHz天线近场测试系统的具体工作原理为：在主控计算机的控制下，矢量网络分析仪产生的激励信号，通过旋转关节后经待测天线辐射出去；近场测量探头和低噪声放大器固定在扫描架上，在主控计算机的控制下，通过扫描架进行不同位置的扫描获取各个位置的信号；矢量网络分析仪将接收到的信号传送给主控计算机；主控计算机根据得到的矢量信息，通过运行变换处理算法，实现近场测试数据到天线远场方向图特性的反演换算，完成系统测试。

40～110GHz天线近场测试系统的具体工作原理为：在主控计算机的控制下，矢量网络分析仪产生的激励信号，首先进入太赫兹发射模块，信号倍频输出后，经待测天线辐射出去；扫描架上的近场测量探头接收到信号后送入太赫兹接收模块，由接收模块完成信号下变频，得到的中频信号送入网络分析仪的外中频输入接收机中，在主控计算机的控制下，通过扫描架进行不同位置的扫描获取各个位置的信号；矢量网络分析仪将接收到的信号送给主控计算机；主控计算机根据得到的信号幅相信息，通过运行变换处理算法，实现近场测试数据到天线远场方向图特性的反演换算，完成系统测试。对于不同频段的天线测试只需要更换对应的太赫兹发射模块和接收模块即可。

远场测试系统原理同近场测试系统，将转台通过地轨后退至满足远场条件的距离处，信号由扫描架上的近场探头（或配置标准增益天线）发射，由转台上的待测天线接收，通过旋转转台得到被测天线不同角度下的幅相进行，进而得到天线的方向图曲线。

1.2 系统布局图

系统布局图如图2所示。由于40GHz以下频段采用直通模式测试，40GHz电缆损耗大，为提高系统动态范围，将测试仪表尽可能的靠近扫描架，进而缩短测试电缆长度，并且在发射端通过增加功率放大器提高发射天线的输入功率，在接收天线后端增加低噪声放大器，对信号进行增益，从而提高了系统的动态范围。

图2 1～110GHz近远场复合天线测试布局俯视图

2 研究成果

系统指标如表1所示。

表1 系统主要指标

110GHz标准增益喇叭天线方向图实测图，如图3所示。

图3 110GHz标准增益喇叭方向图实测图

系统实物照片如图4所示。

图4 1～110GHz近远场复合天线测试系统实物图片

结论：本文介绍了一种近远场复合天线测试系统设计方法，通过合理配置高精度的扫描架、转台及各频段收发模块，完成1～110GHz近远场复合天线测试系统搭建。目前该系统已工程化应用，解决了高效快速的宽频带天线测试问题。