使用雙音法測(cè)試內(nèi)置本振的相控陣天線

PART-01

前言

相控陣天線已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信，在OTA暗室中使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)、無(wú)源和有源測(cè)試已經(jīng)較為成熟。但對(duì)于內(nèi)置本振的相控陣由于輸入輸出頻率不一致且本振無(wú)法接入，常規(guī)測(cè)試方法無(wú)法進(jìn)行穩(wěn)定的幅相測(cè)試。本期將介紹一種新穎的測(cè)試方法，該方法巧妙使用R&S ZNA 矢網(wǎng)輸出雙音信號(hào)對(duì)內(nèi)置本振的相控陣天線進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試。

相控天線陣面的集成度越來(lái)越高，有些陣面將收發(fā)上下變頻單元也直接集成在陣面中且變頻單元的本振源也一同集成在陣面中，這導(dǎo)致常規(guī)矢網(wǎng)無(wú)法進(jìn)行穩(wěn)定幅相測(cè)試。而在相控天線的近場(chǎng)測(cè)試中，我們必須通過(guò)測(cè)得天線近場(chǎng)的幅相分布數(shù)據(jù)才能進(jìn)行近場(chǎng)到天線遠(yuǎn)場(chǎng)特性的轉(zhuǎn)換。針對(duì)這一業(yè)界難題，羅德與施瓦茨（R&S）結(jié)合R&S ZNA矢網(wǎng)內(nèi)部多激勵(lì)相參源與雙數(shù)字接收機(jī)架構(gòu)提出雙音法進(jìn)行內(nèi)置本振相控陣天線近場(chǎng)測(cè)試的新方法。

PART-02

內(nèi)置本振天線接收單元的特點(diǎn)

對(duì)于一個(gè)集成本振的天線接收單元來(lái)說(shuō)（如下圖所示），具有以下特點(diǎn)：內(nèi)置本振、本振無(wú)法使用線纜輸入或輸出。因此，天線輸出信號(hào)的相位隨著天線接收激勵(lì)信號(hào)相位和本振相位的變化而變化。由于本振信號(hào)的相位未知且可能不穩(wěn)定隨時(shí)間漂移，矢網(wǎng)輸入fRF時(shí)我們只能得到天線接收信號(hào)的相位，而無(wú)法得知本振相位的變化。這就對(duì)我們的測(cè)試提出了新的挑戰(zhàn)：如何去除本振帶來(lái)相位影響？

PART-03

解決方法

借助兩個(gè)測(cè)試天線，其中一個(gè)天線固定位置不動(dòng)，另外一個(gè)天線作為天線近場(chǎng)測(cè)試的探頭天線在待測(cè)天線的近場(chǎng)進(jìn)行掃描移動(dòng)。然后，結(jié)合R&S ZNA獨(dú)有的雙音法混頻測(cè)試的技術(shù)，可以解決上述問(wèn)題。測(cè)試框圖如下：

使用ZNA的兩個(gè)端口發(fā)出兩個(gè)頻率相近的信號(hào)f1和f2，分別送給兩只天線，之后，兩只天線發(fā)出的信號(hào)由同一個(gè)陣面天線進(jìn)行接收，那么此時(shí)該接收陣面天線接收到的信號(hào)為一個(gè)雙音信號(hào)，同時(shí)這兩個(gè)信號(hào)分別與內(nèi)置的本振進(jìn)行混頻，接收陣面輸出頻率為f1-fLO和f2-fLO的雙音信號(hào)。

該方法不是直接測(cè)量陣面天線輸入和輸出之間的相位，而是使用ZNA測(cè)量雙音信號(hào)的兩個(gè)音之間的相位差。分別測(cè)試陣面天線的輸入端和輸出端的雙音相位差值。使用公式(1)和(2)，ΔΦ為天線陣元輸出端雙音相位的差值減去輸入端的差值。在被測(cè)天線的視軸位置，ΔΦ被歸一化為零。此后，當(dāng)探頭天線在待測(cè)陣面天線空間近場(chǎng)移動(dòng)時(shí)，ΔΦ的相對(duì)測(cè)量結(jié)果反映了待測(cè)陣面天線的近場(chǎng)相位變化。

此時(shí)，對(duì)于天線接收陣面，相位的變化如下式：

（1）

注意到上式中的兩個(gè)ΦLO可以消去，可以簡(jiǎn)化為：

（2）

上式中φ1in和φ2in均由ZNA給出，而Φ1out和Φ2out均輸入回ZNA。

可以觀察到，本振的相位偏差（公式(1)中的φLO）對(duì)陣面天線的兩個(gè)下變頻載波具有相同影響，因此本振的變化在公式(1)中相互抵消，最終得到公式(2)。因此，通過(guò)這種雙音比較的方法，由嵌入式本振相位引起的偏差對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有影響。

PART-04

雙數(shù)字接收機(jī)架構(gòu)

為了測(cè)試不同頻率的兩個(gè)雙音信號(hào)之間的相位，R&S ZNA矢網(wǎng)具有特殊的接收機(jī)架構(gòu)。該接收機(jī)架構(gòu)中，兩個(gè)信號(hào)均被下變頻至矢網(wǎng)接收機(jī)的中頻，中頻信號(hào)數(shù)字化之后，被分成兩路輸入并行的數(shù)字（I路和Q路）混頻器和濾波器，這兩條路徑配有兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)控振蕩器(NCO)，這些NCO頻率差與兩個(gè)激勵(lì)雙音射頻信號(hào)的頻率差相同，因此，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)可以被變頻至相同的頻率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的相位差測(cè)試。如下圖所示，不同的信號(hào)f1和f2最終被混頻為相同的中頻a1和a'1。

對(duì)于同一個(gè)接收機(jī)，ZNA可以同時(shí)顯示兩個(gè)波量，例如在1端口的參考接收機(jī)顯示信號(hào)a1和a'1，或在2端口的測(cè)量接收機(jī)處測(cè)量天線陣元的輸出信號(hào)b2和b'2。

雙音信號(hào)的頻率差可以設(shè)置任意值，但需足夠小以確保兩個(gè)信號(hào)都能在ZNA數(shù)字接收機(jī)中處理，同時(shí)頻率差還需大于數(shù)字下變頻后數(shù)字中頻濾波器的帶寬，以便每個(gè)信號(hào)均可獨(dú)立測(cè)量而互不干擾。

PART-05

測(cè)試方法

上圖為ZNA進(jìn)行測(cè)試的一種接線方式，其中1端口輸出單音給移動(dòng)的天線，3端口輸出另外一個(gè)單音信號(hào)給固定天線，2端口對(duì)天線陣元接收并下變頻的雙音信號(hào)進(jìn)行接收，此時(shí)，需要測(cè)試的波量比為a1/a'3和b2/b'2。此時(shí)的DUT的相位為：

另外，當(dāng)移動(dòng)的探頭位于軸線（Boresight）處時(shí)，記錄此時(shí)的相位值

以此處（最大值）作為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化，那么可以由下式計(jì)算天線近場(chǎng)方向圖的歸一化幅度和相位

PART-06

測(cè)試實(shí)例

由于在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試，將上述的天線連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用合路器替代兩個(gè)天線

如上圖所示，1，3端口分別輸出頻率不同的單音信號(hào)，經(jīng)過(guò)合路器之后，輸入混頻器，混頻器的本振由獨(dú)立的信號(hào)源提供，最終中頻信號(hào)輸入值矢網(wǎng)的2端口。之后，為了模擬探頭的移動(dòng)，在f1輸入合路器前增加衰減器再次進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際接線如下圖：

設(shè)置矢網(wǎng)的測(cè)試頻率為1.2G-2.2GHz，射頻f1=1.2GHz-2.2GHz由一端口輸出，f2=1.201GHz-2.201GHz由三端口輸出，功率-10dbm,信號(hào)源提供固定本振1.1GHz，中頻為100M-1.1GHz輸入至矢網(wǎng)的二端口。

ZNA的端口設(shè)置如下所示

其中，需要將2端口的Δfrequency a’,b’設(shè)置為1MHz。

3端口的頻率由于設(shè)置為fb+1MHz，計(jì)算中無(wú)需使用a'3，直接使用a3即可。

將IF Filter（analog）設(shè)置為wideband：

輸入信號(hào)需要測(cè)試的波量比為a1/a3,如下圖所示：

輸出信號(hào)需要測(cè)試的波量比為b2/b’2,如下圖所示：

設(shè)置coherence mode on，測(cè)試結(jié)果如下

上圖中，trc2為a1/a3,也就是輸入相位，trc3為b2/b’2,也就是輸出相位，

右下角的trc3Divtrc2表示的是

，在一開始設(shè)置為boresight模式，也就是最大值，

上方的trc8為如下公式

模擬的是視軸歸一化之后的值，此時(shí)為1，即：

之后，在1端口與合路器之間增加3dB衰減器來(lái)模擬探頭的偏移，此時(shí)測(cè)試結(jié)果如下：

此時(shí)，trc8的數(shù)據(jù)即為在這個(gè)位置時(shí)，測(cè)量得到的天線的相位信息。

在實(shí)際的天線測(cè)試中，移動(dòng)天線并持續(xù)進(jìn)行測(cè)試，可以達(dá)到整個(gè)近場(chǎng)各個(gè)位置的幅度相位信息，再進(jìn)行近遠(yuǎn)場(chǎng)變換計(jì)算之后，可以得到掃頻范圍內(nèi)，各個(gè)頻點(diǎn)的天線方向圖信息

總 結(jié)

由上述示例可見，在使用R&S ZNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)集成內(nèi)置本振的相控陣接收模塊進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試時(shí)，具備多項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)：

1. 支持內(nèi)置本振混頻天線單元的校準(zhǔn)：ZNA獨(dú)有的雙音法測(cè)試，能夠適配各類混頻器結(jié)構(gòu)的天線模塊，無(wú)需外部本振源參與，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣面幅度與相位響應(yīng)的精確標(biāo)定。

2. 無(wú)需對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行傳統(tǒng)校準(zhǔn)即可直接測(cè)試：該方案采用相對(duì)值進(jìn)行測(cè)試，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)多步校準(zhǔn)流程，提升了系統(tǒng)搭建與測(cè)試效率。

3. 支持掃頻測(cè)試，突破點(diǎn)頻限制：不同于傳統(tǒng)點(diǎn)頻校準(zhǔn)方法，ZNA可在寬頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃頻測(cè)量，獲取天線單元在工作頻帶內(nèi)的完整頻響特性，更全面快速地進(jìn)行各個(gè)頻點(diǎn)方向圖的測(cè)試。

4. 單臺(tái)儀表實(shí)現(xiàn)完整測(cè)試，系統(tǒng)集成度高：僅需一臺(tái)ZNA即可完成包括激勵(lì)、下變頻、分析與校準(zhǔn)在內(nèi)的全流程測(cè)量，極大簡(jiǎn)化測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備成本與系統(tǒng)復(fù)雜度，便于系統(tǒng)集成與維護(hù)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立 90 多年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。