矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域功能在天線測量中的應(yīng)用
前言
對于一個新天線,我們通常會關(guān)心它的駐波系數(shù)、增益和方向圖三個主要性能指標(biāo)。在合適的微波暗室里,這三個指標(biāo)用一臺矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和輔助的天線轉(zhuǎn)臺可以精確的測量,但是對于沒有波暗室,或者頻率較低而不適合在微波暗室里測試的天線,在有地面反射或附近有反射物的條件下測試,就會有測試誤差,這是天線工程師比較頭疼的事,以前沒有很好的解決方法?,F(xiàn)在有一種簡單又徹底的方案, 我們只需在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中加入時域分析功能就可以得到精確的結(jié)果,下面我們就進行分析和介紹。
一. 頻域時域的傅立葉變換和FFT
我們知道,任一個信號既可以用頻域特征參數(shù)描述,也可以用時域特征參數(shù)描述,并且兩種描述可以通過傅氏變換和傅氏逆變換聯(lián)系起來。
X(f)= (1)
X(t)= (2)
在網(wǎng)絡(luò)分析儀中首先是把信號的波形取樣,再通過A/D變換、DSP微處理器接收取樣波形,利用FFT在一個窗口計算處理波形。理論上
最小分辨距離= (3)
最小分辨時間= (4)
最大測試距離=最小分辨距離x采樣點數(shù)量 (5)
f1為起始頻率,f2為終止頻率。
二. 天線的駐波系數(shù)測量和故障點定位
用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測量天線的駐波系數(shù)時,一般情況下在天線主波束方向無遮擋,其它方向離反射點大于三個波長,測量的結(jié)果就幾乎不受環(huán)境的影響,這個測試條件容易滿足。但是,如果有時域功能,那么在調(diào)試天線的駐波系數(shù)時,在檢查天線系統(tǒng)有無故障時,就更直觀、更快捷。舉一例:設(shè)計一副串饋共軸天線陣,頻帶為:880MHZ-930MHZ,要求駐波系數(shù)(SWR)≦1.5。如圖1
圖1 GSM基站天線
這是一副由4節(jié)天線組成的天線陣,1-5各節(jié)點的反射都要影響端口的駐波系數(shù),用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能看端口的駐波系數(shù),如果駐波系數(shù)較差,不知道那個節(jié)點影響最大,只能逐點猜測調(diào)整。假設(shè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀帶時域功能,就能看出每一節(jié)點的反射大小,知道那個節(jié)點對駐波系數(shù)的影響最大,就先調(diào)哪個節(jié)點,這樣有的放矢,研制效率就高。同樣在現(xiàn)場天線系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中,如果遇到有天線、饋線、分支器和多個連接頭的系統(tǒng),用帶時域功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測,一眼就明了那個地方連接得好,哪個地方還沒連接好。圖2是用帶時域功能的矢網(wǎng)對上面GSM天線的測試實例,左圖是測試的回波損耗與位置的關(guān)系圖,右圖是回波損耗與頻率的關(guān)系圖,可以看出距端口1130mm的地方是最大反射點,如果對右圖的駐波還不滿意,我們看左圖,就清楚應(yīng)繼續(xù)調(diào)整天線的哪個位置。
圖2 帶時域功能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線駐波的應(yīng)用
三. 天線的增益和方向圖測量
在天線外場測試中,地面或周圍環(huán)境的反射要對增益和方向圖的測量結(jié)果帶來或大或小的誤差。
1. 測量誤差分析
圖3 天線測試示意圖
如圖3,兩相距D米,高度為H米的收發(fā)天線架設(shè)在反射系數(shù)為r的地面上。因天線的方向性,假設(shè)發(fā)射天線輻射到O點的場強是最大值的倍,接收天線接收到O點反射波場強是其最大值的倍。接收天線的接收場強由直射波場強E1和反射波場強E2構(gòu)成。
兩波的路程差為:
(7)
假設(shè)直射波的場強E1歸一化為1,則
(8)
合成波的場強E為:
(9)
A.增益的測試誤差分析
天線的增益測量一般采用比較法,因為被測天線往往與標(biāo)準(zhǔn)天線的形狀不一樣,即使這兩種天線架設(shè)在同一位置,相位中心也不一定重合,假設(shè)被測天線比標(biāo)準(zhǔn)天線距發(fā)射天線近L米,則兩波的路程差變?yōu)?
(10)
合成波的場強為:
(11)
引起的增益誤差為:
(12)
B.方向圖測試誤差分析
同樣的道理,天線在旋轉(zhuǎn)過程中,有時相位中心沒在轉(zhuǎn)軸上,假設(shè)相位中心距轉(zhuǎn)軸的距離為L,轉(zhuǎn)動的起始角在收發(fā)天線的連線上。
則兩波的路程差為:
(13)
合成波的場強為:
(14)
圖4 合成波隨天線間距變化關(guān)系 圖5 合成波隨被測天線旋轉(zhuǎn)變化關(guān)系
圖4中取k1=0.4 k2=0.5 r=0.9 H=3 f=1GHz; 圖5中取k1=0.8 k2=0.9 r=0.9 H=3 D=10 L=0.2 f=1GHz 。如果只有直射波,歸一化場強為1;可看出反射波帶來±0.4倍(±2dB)左右的誤差。誤差可以通過減小地面反射系數(shù),增加天線架設(shè)高度和提高發(fā)射天線的增益來減小,但很多時候不容易做到,最徹底的方法是采用時域技術(shù)去掉反射。
2. 時域應(yīng)用方法
反射給我們的方向圖測試結(jié)果造成誤差,我們現(xiàn)在用安立公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B加時域功能OPTION2把它濾掉,其具體的方法是:
A.根據(jù)天線的架設(shè)情況計算出反射波與直射波的路程差和時延大小。比如:當(dāng)D=10m,H=3m時,反射波與直射波的路程差為1.66m,時延為5.53E-9秒。
B.首先在頻域內(nèi)測量,根據(jù)實際選擇對應(yīng)的頻率測量范圍。
在DOMAIN菜單下選擇FREQUENCY SET UP中的RANGE SET UP,用CENTER、SPAN設(shè)置。
C.VNA通過傅立葉反變換計算到時域。
按鍵APPL,DOMAIN將DISPLAY中TIME/DISTANCE選擇為TIME,再選擇TIME BAND。
D. 在時域中設(shè)置"門",選擇需要通過或需要去除的響應(yīng)。
通過GATE SETUP設(shè)置CENTER 和SPAN,去除延時的反射波。
E. 設(shè)置好后,讓測試系統(tǒng)每轉(zhuǎn)動一個角度,掃描記錄一次數(shù)據(jù)。
同時測得一個頻帶內(nèi)多頻點方向圖數(shù)組。
除了扣除一些指定的多余信號響應(yīng)外,我們也可以運用ANTI-GATING功能只保留指定信號以外的的響應(yīng),其操作方法和GATE基本相同,只需要在GATE中的SPAN選擇負值即可,這樣就保留主要信號的響應(yīng)而把其余一些信號響應(yīng)均去除掉。
四. 總結(jié)
隨著現(xiàn)代電子測試技術(shù)的進步,許多以前無法測試或者無法精確測試的難題現(xiàn)在逐步的得到解決,上面的儀器功能和測試方法就是個例,矢網(wǎng)的時域功能對天線測試是非常實用的功能,把它介紹出來,供大家參考使用。
參考資料:
1.《天線測量》林昌祿著
2 MS462X矢網(wǎng)指南(Anritsu)
3. Time Domain for Vector Network Analyzers Application Note (Anritsu)
矢量控制相關(guān)文章:矢量控制原理
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