矢量网络分析仪的时域功能在天线测量中的应用

前言

对于一个新天线，我们通常会关心它的驻波系数、增益和方向图三个主要性能指标。在合适的微波暗室里，这三个指标用一台矢量网络分析仪和辅助的天线转台可以精确的测量，但是对于没有波暗室，或者频率较低而不适合在微波暗室里测试的天线，在有地面反射或附近有反射物的条件下测试，就会有测试误差，这是天线工程师比较头疼的事，以前没有很好的解决方法。现在有一种简单又彻底的方案, 我们只需在矢量网络分析仪中加入时域分析功能就可以得到精确的结果，下面我们就进行分析和介绍。　　

一． 频域时域的傅立叶变换和FFT

我们知道，任一个信号既可以用频域特征参数描述，也可以用时域特征参数描述，并且两种描述可以通过傅氏变换和傅氏逆变换联系起来。

X(f)= (1)

X(t)= (2)

在网络分析仪中首先是把信号的波形取样，再通过A/D变换、DSP微处理器接收取样波形，利用FFT在一个窗口计算处理波形。理论上

最小分辨距离= (3)

最小分辨时间= (4)

最大测试距离=最小分辨距离x采样点数量 (5)

f1为起始频率，f2为终止频率。

二． 天线的驻波系数测量和故障点定位

用矢量网络分析仪在测量天线的驻波系数时，一般情况下在天线主波束方向无遮挡，其它方向离反射点大于三个波长，测量的结果就几乎不受环境的影响，这个测试条件容易满足。但是，如果有时域功能，那么在调试天线的驻波系数时，在检查天线系统有无故障时，就更直观、更快捷。举一例：设计一副串馈共轴天线阵，频带为：880MHZ-930MHZ，要求驻波系数（SWR）≦1.5。如图1

图1 GSM基站天线

这是一副由4节天线组成的天线阵，1-5各节点的反射都要影响端口的驻波系数，用矢量网络分析仪只能看端口的驻波系数，如果驻波系数较差，不知道那个节点影响最大，只能逐点猜测调整。假设矢量网络分析仪带时域功能，就能看出每一节点的反射大小，知道那个节点对驻波系数的影响最大，就先调哪个节点，这样有的放矢，研制效率就高。同样在现场天线系统的安装调试过程中，如果遇到有天线、馈线、分支器和多个连接头的系统，用带时域功能矢量网络分析仪检测，一眼就明了那个地方连接得好，哪个地方还没连接好。图2是用带时域功能的矢网对上面GSM天线的测试实例，左图是测试的回波损耗与位置的关系图，右图是回波损耗与频率的关系图，可以看出距端口1130mm的地方是最大反射点，如果对右图的驻波还不满意，我们看左图，就清楚应继续调整天线的哪个位置。

图2 带时域功能矢量网络分析仪测试天线驻波的应用

三． 天线的增益和方向图测量

在天线外场测试中，地面或周围环境的反射要对增益和方向图的测量结果带来或大或小的误差。

1． 测量误差分析

图3 天线测试示意图

如图3，两相距D米，高度为H米的收发天线架设在反射系数为r的地面上。因天线的方向性，假设发射天线辐射到O点的场强是最大值的倍，接收天线接收到O点反射波场强是其最大值的倍。接收天线的接收场强由直射波场强E1和反射波场强E2构成。

两波的路程差为:

(7)

假设直射波的场强E1归一化为1，则

(8)

合成波的场强E为:

(9)

A．增益的测试误差分析

天线的增益测量一般采用比较法，因为被测天线往往与标准天线的形状不一样，即使这两种天线架设在同一位置，相位中心也不一定重合，假设被测天线比标准天线距发射天线近L米，则两波的路程差变为:

 (10)

合成波的场强为:

 (11)

引起的增益误差为：

 (12)

B．方向图测试误差分析

同样的道理，天线在旋转过程中，有时相位中心没在转轴上，假设相位中心距转轴的距离为L，转动的起始角在收发天线的连线上。

则两波的路程差为:

(13)

合成波的场强为:

(14)

图4 合成波随天线间距变化关系 图5 合成波随被测天线旋转变化关系

图4中取k1=0.4 k2=0.5 r=0.9 H=3 f=1GHz； 图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，归一化场强为1；可看出反射波带来±0.4倍（±2dB）左右的误差。误差可以通过减小地面反射系数，增加天线架设高度和提高发射天线的增益来减小，但很多时候不容易做到，最彻底的方法是采用时域技术去掉反射。

2． 时域应用方法

反射给我们的方向图测试结果造成误差，我们现在用安立公司的矢量网络分析仪MS4623B加时域功能OPTION2把它滤掉，其具体的方法是：

A．根据天线的架设情况计算出反射波与直射波的路程差和时延大小。比如：当D=10m,H=3m时，反射波与直射波的路程差为1.66m，时延为5.53E-9秒。

B．首先在频域内测量，根据实际选择对应的频率测量范围。

在DOMAIN菜单下选择FREQUENCY SET UP中的RANGE SET UP，用CENTER、SPAN设置。

C．VNA通过傅立叶反变换计算到时域。

按键APPL，DOMAIN将DISPLAY中TIME/DISTANCE选择为TIME，再选择TIME BAND。

D． 在时域中设置"门"，选择需要通过或需要去除的响应。

通过GATE SETUP设置CENTER 和SPAN，去除延时的反射波。

E． 设置好后，让测试系统每转动一个角度，扫描记录一次数据。

同时测得一个频带内多频点方向图数组。

除了扣除一些指定的多余信号响应外，我们也可以运用ANTI-GATING功能只保留指定信号以外的的响应，其操作方法和GATE基本相同，只需要在GATE中的SPAN选择负值即可，这样就保留主要信号的响应而把其余一些信号响应均去除掉。

四． 总结

随着现代电子测试技术的进步，许多以前无法测试或者无法精确测试的难题现在逐步的得到解决，上面的仪器功能和测试方法就是个例，矢网的时域功能对天线测试是非常实用的功能，把它介绍出来，供大家参考使用。

参考资料:

1.《天线测量》林昌禄著

2 MS462X矢网指南(Anritsu)

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