網絡分析儀測天線S參數應用實例

關鍵字：網絡分析儀 天線S參數

1 概述

在微波探測系統中，通常天線都是系統自動控制環路的閉環點。天線作為一個收/發控制系統的重要組成部分，其性能的優劣，將直接影響到全系統的檢測能力和探測精度。在實際使用中，對天線的電特性參數及組成部分 的各種微波裝置（如高頻電纜等）的散射參數，例如天線的匹配特性、天線阻抗、微波裝置的反射特性和傳輸特性參數等都要進行嚴格的檢測。而要準確的對天線及其組成部分微波裝置的參數進行測試，采用網絡分析儀無疑是最佳的途徑。由于篇幅有限，本文只探討網絡分析儀在天線S參數測試方面的應用情況。

2. 天線S參數測試系統的設計

網絡分析儀是用來刻劃有源和無源器件各種特性的，這些器件可以是單端口的，也可以是雙端口或多端口的。網絡分析儀可以測量每個端口的輸入特性及一個端口到另一個端口的傳輸特性。

網絡分析儀，不管是標量網絡分析儀還是矢量網絡分析儀，測量電網絡參數時都依賴二極管檢波技術（寬帶）或超外差接收技術（窄帶）。窄帶檢測適合于相位測量和評估頻率抑制器件如濾波器等。寬帶檢測更適合于測量頻率轉換器件如調諧器等的特性，特別是那些具有內部本振的器件。

相對于二極管檢波，利用調諧接收機可以提供測量時的高接收靈敏度和寬動態范圍，同時具有較好的諧波和寄生信號的抑制功能。但帶寬只有幾KHz的數量級。

本文應用矢量網絡分析儀和標量網絡分析儀兩種設備，分別設計了兩種天線S參數的測試系統。

2.1 矢量網絡分析儀測試系統的設計

矢量網絡分析儀是功能最強大的一種網絡分析儀，可以測量的頻率范圍為：5Hz－110GHz。矢量網絡分析儀可以測量電網絡完整的幅值特性和相位特性，包括：S-參數的幅值和相位、駐波比（群延遲、回波損耗、反射系數和增益壓縮。矢量網絡分析儀一般由合成掃頻信號源、兩個測試端口（含信號分離部件）、多通道、相位相干、高接收靈敏度的調諧接收機組成。矢量網絡分析儀是一種高集成度的測量儀器，所需的外部配置較少，主要是各種校準器，包括開路器、短路器、匹配負載、轉接電纜以及連接被測件所需的轉換裝置。

公司生產的37300系列微波一體化矢量網絡分析儀將合成掃頻信號源、鎖相接收機和S參數測試裝置有機地結合在一臺儀器中，具有兩個測試端口、四個接收通道。不僅可以快速、精確地測量被測件S參數的幅度、相位和群延遲特性，還可測量微波器件的絕對輸出功率。

2.1.1 矢量網絡分析儀的組成

該測試系統由一臺37347D矢量網絡分析儀及其相關的校準組件構成。主要包括：

a) 矢量網絡分析儀 37347D

b) 校準箱 3650

開路器

短路器

3.5mm同軸校準件

2cm波導校準件

c) 時域功能 3700/A

d)下擴頻 SM6164

e) 穩相電纜： 3671a50－1

f) 各種轉換器

g) 測試中必須的非標零件

過渡波導

波導同軸轉換器

專用波導負載Ⅰ

專用波導負載Ⅱ

專用波導同軸轉換Ⅰ

專用波導同軸轉換Ⅱ

h) 產品支架

i) 吸波材料及支架

j) 打印機。

2.1.2 測試系統組成見圖1

測試系統中包含了部分非標器件作為測量輔助設備，其作用是完成各非標準接口被測件非標準接口到標準接口的轉換，從而滿足與標準測試接口的連接。此外，還必須配置各種夾具及固定件等。為滿足天線的開場測試要求，必須配置吸波材料板和支架。

圖1 矢網系統的原理框圖

2.2 標量網絡分析儀測試系統設計

標量網絡分析儀是一種性能價格比很高的網絡分析儀，通常用于生產線上檢測被測件的外部特性。標量網絡分析儀只能測量S參數的幅值，相應的參數包括：傳輸增益（傳輸損耗）、回波損耗、駐波比（SWR）等。不同于矢量網絡分析儀，標量網絡分析儀沒有集成信號分離部件，所以標量網絡分析儀需要外配信號分離部件，如：功率分配器、方向耦合器、方向電橋。標量網絡分析儀也沒有類似矢量網絡分析儀的超外差調諧接收機，而是利用外部的二極管檢波方式。所以標量網絡分析儀需要外配檢波器。完整的測量系統還應包括校準件、連接電纜、衰減器、轉接器和連接被測件的各種轉換裝置。

安立公司生產的54147A標量網絡分析儀由內部掃頻合成源、兩個標準測量通道A和B、一個參考通道R組成(用于比值測量)。可以測量被測件的傳輸增益（傳輸損耗）、回波損耗、駐波比（SWR）、群延遲、輸出功率等。

2.2.1 標網分系統的組成

a) 合成掃頻信號源 MG3692A；

b) 標量網絡分析儀 54147A；

c) 微波精密檢波器 560－7S50B；

d) 同軸功率分配器 K240B；

e) 波導高方向性定向耦合器 HD-180WC3/20；

f) 波導型環行器 HD-180CIC1/2；

g) SWR自動測試器 560-98SF50-1 ；

h) 源電纜 NS120MF-6；

j) 電纜組件 85022At；

k) 3dB衰減器 41KB-3；

m) 各種校準器

同軸短路/開路器 HD-180OSSJJ，

同軸負載 HD-CL1.15SJ 、HD-CL1.05SJ，

同軸精密負載 28SF50，

波導短路器 HD-180WS，

波導匹配負載 HD-180WL1.03 ；

n) 各種轉換器

同軸轉換器 K220B 、HD-3.5S50KJ、 HD-3.5S50KK 、HD-3.5S50JJ，

波導同軸轉換器 HD-180WESMAK/J、HD-180WSMAK/J；

p) 升降平臺式波導支架；

q) 吸波材料及支架；

r) 繪圖儀 DJ-500。

2.2.2 標網分系統的組成框圖源

高方向性定向耦合器 高方向性定向耦合器

圖2 天線電特性參數測量系統框圖

2.2.3 實際配置圖見圖3

圖3 標網測S參數的實際配置

3測試系統的技術指標

3.1矢網分系統的主要性能指標

a) 頻率范圍：50MHz～20GHz；

b) 動態范圍：105dB；

c) 頻率分辨率：1Hz；

d) 幅度分辨率：0.001dB/div；

e) 幅度準確率：0.1dB；

f) 相位分辨率：0.01o/div；

g) 相位準確度：0.5o。

3.2 標網系統的主要性能指標

a) 頻率范圍：10MHz～20GHz；

b) 動態范圍：71dBm (+16dBm～-55dBm)；

c) 幅值測量誤差：±0.11dB；

d) 檢波器輸入（2個標準輸入，1個參考通道R）；

e) 顯示通道 （可以自選最多可達2通道彩色顯示）；

f) 測量點數 可以選值為101、201、401點；

g) 繪圖儀/打印機緩沖器；

h) 自適性歸一化處理。

3.3 被測產品的主要技術指標

a) 各通道輸出端的電壓駐波系數；

b) 波導管的電參數：

1) 電壓駐波系數

2) 插入損耗

d) 通道損耗

e) 通道之間收發隔離度

說明：在該測試分系統中，為了順利、合理的完成天線各項指標的測試，必須要配有滿足產品調試及足夠生產使用的各種非標準設備，主要有波導轉換器、波導負載、卡子等。波導轉換器用于天線和測試系統的連接。在調試過程中，天線相關輸出波導口都需要有負載連接。另外，為滿足天線的開場測試，應在天線的前方約±400立體角范圍，距離天線1～2米處張貼吸波材料，在600范圍的材料的反射不大于-40dB，而且必須滿足防火要求。

4 測試系統的維護與校準

4.1 測試系統的可維護性

本系統采用分立系統結構。同軸部件采用SMA接頭方式連接，波導部件采用波導夾連接，各支架及支撐座采用可調節式，操作簡單方便，便于安裝和拆卸。

4.2 測試系統的校準

為保證測試的準確，在測試時，應對矢量網絡分析儀和標量網絡分析儀進行校準。本系統配置了滿足校準要求的各種校準部件，供測試時使用。此外，根據網絡分析儀使用要求，應定期到專門機構進行儀器校準。時間為每年一次。

5.結論

以上兩個測試系統已經用于對實際產品的測試，標量網絡分析儀組成的測試系統三年前投入使用，矢量網絡分析儀組成的測試系統去年投入使用。這兩種測試系統共計測試過5種天線、30種電纜及相關微波配件的電特性及S參數，共計3000余件產品。通過對大量產品的測試表明，這兩種測試系統工作穩定、操作方便完全能滿足產品測試的實際要求。