矢量網絡分析儀的時域功能在天線測量中的應用

前言

對于一個新天線，我們通常會關心它的駐波系數、增益和方向圖三個主要性能指標。在合適的微波暗室里，這三個指標用一臺矢量網絡分析儀和輔助的天線轉臺可以精確的測量，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。現在有一種簡單又徹底的方案, 我們只需在矢量網絡分析儀中加入時域分析功能就可以得到精確的結果，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描述，也可以用時域特征參數描述，并且兩種描述可以通過傅氏變換和傅氏逆變換聯系起來。

X(f)= (1)

X(t)= (2)

在網絡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采樣點數量 (5)

f1為起始頻率，f2為終止頻率。

二． 天線的駐波系數測量和故障點定位

用矢量網絡分析儀在測量天線的駐波系數時，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，測量的結果就幾乎不受環境的影響，這個測試條件容易滿足。但是，如果有時域功能，那么在調試天線的駐波系數時，在檢查天線系統有無故障時，就更直觀、更快捷。舉一例：設計一副串饋共軸天線陣，頻帶為：880MHZ-930MHZ，要求駐波系數（SWR）≦1.5。如圖1

圖1 GSM基站天線

這是一副由4節天線組成的天線陣，1-5各節點的反射都要影響端口的駐波系數，用矢量網絡分析儀只能看端口的駐波系數，如果駐波系數較差，不知道那個節點影響最大，只能逐點猜測調整。假設矢量網絡分析儀帶時域功能，就能看出每一節點的反射大小，知道那個節點對駐波系數的影響最大，就先調哪個節點，這樣有的放矢，研制效率就高。同樣在現場天線系統的安裝調試過程中，如果遇到有天線、饋線、分支器和多個連接頭的系統，用帶時域功能矢量網絡分析儀檢測，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系圖，右圖是回波損耗與頻率的關系圖，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，就清楚應繼續調整天線的哪個位置。

圖2 帶時域功能矢量網絡分析儀測試天線駐波的應用

三． 天線的增益和方向圖測量

在天線外場測試中，地面或周圍環境的反射要對增益和方向圖的測量結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米的收發天線架設在反射系數為r的地面上。因天線的方向性，假設發射天線輻射到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構成。

兩波的路程差為:

(7)

假設直射波的場強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準天線的形狀不一樣，即使這兩種天線架設在同一位置，相位中心也不一定重合，假設被測天線比標準天線距發射天線近L米，則兩波的路程差變為:

(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，天線在旋轉過程中，有時相位中心沒在轉軸上，假設相位中心距轉軸的距離為L，轉動的起始角在收發天線的連線上。

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系 圖5 合成波隨被測天線旋轉變化關系

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，增加天線架設高度和提高發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去掉反射。

2． 時域應用方法

反射給我們的方向圖測試結果造成誤差，我們現在用安立公司的矢量網絡分析儀MS4623B加時域功能OPTION2把它濾掉，其具體的方法是：

A．根據天線的架設情況計算出反射波與直射波的路程差和時延大小。比如：當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．首先在頻域內測量，根據實際選擇對應的頻率測量范圍。

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． 在時域中設置"門"，選擇需要通過或需要去除的響應。

通過GATE SETUP設置CENTER 和SPAN，去除延時的反射波。

E． 設置好后，讓測試系統每轉動一個角度，掃描記錄一次數據。

同時測得一個頻帶內多頻點方向圖數組。

除了扣除一些指定的多余信號響應外，我們也可以運用ANTI-GATING功能只保留指定信號以外的的響應，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而把其余一些信號響應均去除掉。

四． 總結

隨著現代電子測試技術的進步，許多以前無法測試或者無法精確測試的難題現在逐步的得到解決，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矢網指南(Anritsu)

3. Time Domain for Vector Network Analyzers Application Note (Anritsu)