天线测试技术剖析—从原理到系统
海外有FCC，国内则以工信部统筹，无线电型号核准(SRRC)、电信设备进网许可(CTA) 及强制性产品认证(CCC) 三大准入制度多体系并存的方式发展。尽管分工不同，但最终落脚点均为天线辐射测试。抛开地缘因素，对测试而言，所有的设备、仪器、器件或者链路不过是剔除噪音的工具，一切只为得到一个极其纯净的信号，因此在整个产业链上涌现出非常多细分领域优秀企业，如测试仪表替代、射频微波器件、线缆接头、数据处理集成商等等。本文从测试原理出发结合测试指标、测试方案以及方案核心设备构成等方面深入了解天线测试。
1.天线辐射机制与远近场理论
天线作为射频通信与雷达系统中最核心的无源器件之一，其本质是一个复杂的电磁能量转换器，负责将传输线中的高频电磁振荡（导行波）转化为在自由空间中无衰减传播的电磁波（辐射波），或执行相反的接收过程。麦克斯韦方程组（Maxwell's equations）构成了宏观电磁现象的绝对物理基础。这一组耦合偏微分方程不仅描述了电场与磁场如何由电荷和电流激发，更揭示了时变电场与磁场之间相互激发的机制 。在微观层面，加速运动的电荷是产生辐射的根本原因。以最基础的短偶极子（Hertzian dipole）为例，当偶极子的长度 d远小于波长λ时，其辐射电阻（Radiation Resistance）可以通过积分解析求得，经典公式为 Rrad=80π^2(d/λ)^2 。由于解析求解复杂形状天线的边界条件极为困难，现代天线工程严重依赖全波电磁仿真与高精度的实际测量验证。
在进行天线测试时，测量距离是决定测试方案的核心参数。天线周围的电磁场域通常被划分为三大区域：电抗近场区（Reactive Near-Field，以感应场为主）、辐射近场区（Fresnel区，Radiating Near-Field / Fresnel Region，场分布随距离变化）和辐射远场区（Fraunhofer区，Far-Field / Fraunhofer Region，以平面辐射波为主）。通常以2D2/λ（其中 D为天线最大孔径径向尺寸，λ为工作波长为波长)作为进入远场区的标准。在电抗近场区内，能量在天线与周围空间之间来回振荡，电场和磁场存在极强的无功耦合，任何测试探头的引入都会严重改变天线本身的阻抗特性。到达辐射近场区后，辐射场开始占据主导地位，但电磁波的等相位面仍呈现明显的球面特征。当距离天线足够远，使得电磁波的等相位面可以近似视为平面的区域。
随着天线尺寸 D的增大或工作频率的升高（波长λ减小），远场距离 L会急剧增加。例如，对于一个直径D为 160 毫米的卡塞格林天线，若工作频率达到 340 GHz，其理论所需的远场测试距离将达到58 米。这直接催生了为了缩短物理距离而发明的多种高级测试场设计。
2、天线核心测试指标：
2.1增益测量（Gain measurement）
增益是表征天线辐射性能最重要的品质因数。天线增益存在多种测量方法与测试场地形式，具体方案的选取主要取决于工作频率。通常，自由空间测试场用于1GHz以上频段的天线增益测量，同时也可采用基于波导器件的微波测试技术。低频段因波长更长，难以模拟理想自由空间环境；因此在 0.1～1 GHz 频段，普遍采用地面反射测试场，也可使用缩比模型开展测试。但受限于结构电导率与损耗因子无法按比例同步缩放，缩比模型无法直接等效实物天线效率，需通过其他方式获取全尺寸天线效率，再结合方向性系数计算天线增益（增益 = 方向性系数 × 辐射效率）。
天线增益测量主要分为两大类：绝对增益法 与 增益比对法（传递法）。
绝对增益法无需预知天线增益数值，主要用于校准标准增益天线；增益传递法则必须搭配已知标准增益天线，对比求解待测天线绝对增益。业界通用的两类标准增益天线分别为：谐振式半波偶极子天线（增益约 2.1 dB）与角锥喇叭天线（增益 12～25 dB），二者均为线极化。自由空间中，半波偶极子极化纯度高，但方向图覆盖范围广，在非无反射环境下极化特性易受干扰；角锥喇叭在自由空间存在微弱椭圆极化（轴比约 40 dB 至无穷大），但因其方向性极强，受周边环境影响更小。
A、双天线测量方案
双天线测量对应的理论公式如下：
其中，(G₀ₜ)dB：发射天线增益（dB）、(G₀ᵣ)dB：接收天线增益（dB）、Pᵣ：接收功率（W）、Pₜ：发射功率（W）、R：天线间距（m）、λ：工作波长（m）。若发射天线与接收天线完全相同（G₀ₜ = G₀ᵣ），上式调整为：
通过测量天线间距 R、波长 λ以及收发功率比 Pᵣ/Pₜ，即可求出天线增益。在单一固定频率下，可使用图2所示系统完成测量，该系统结构简单、操作便捷。对于宽带天线等需要连续多频点测量的场景，可采用图2 (b) 所示的扫频测试设备。
图2. 常用单频/扫频的2天线或3天线测试系统(J. S. Hollis, T. J. Lyon, and L. Clayton, Jr., Microwave Antenna Measurements, Scientific-Atlanta, Inc., Atlanta, Georgia, July 1970，Antenna theory an alysis and design (3rd Edition))
B、三天线测试法
该方法利用三个增益未知的天线（其中必须至少有两个是非圆极化天线），将它们两两组合，进行三次独立的发射和接收测量。所有三个天线必须工作在相同或重叠的频段内。根据 Friis 传输方程，每次测量可以得出一个包含两个天线增益乘积的方程。三次配对测量后，将得到一个包含三个未知数的三个联立方程组。通过数学求解该方程组，即可提取出每一根天线的绝对增益。
2.2 相位测量
天线的相位具有周期性，以 360°为周期循环定义。同时，相位是一个相对量，测量过程中必须提供参考相位用于对比。
图3 不同相位测量方案a．近场相位测量 b.远场相位测量( IEEE Standard Test Procedures for Antennas, IEEE Std 149–1979, published by IEEE, Inc., 1979, distributed by Wiley，(Book) Antenna theory an alysis and design (3rd Edition))
图4. 网分上的相位测量
图 3 (a) 与图 3 (b) 分别给出了两种适用于近距离与远距离相位方向图测量的典型系统方案：图 3 (a)：从传输链路耦合出一路参考信号，在相位检测网络中与接收信号进行相位比对。该方案不适合远距离测试。图 3 (b)：用一副固定参考天线与待测天线同时接收源天线信号；待测天线旋转扫描，固定天线作为相位基准，同步记录相位方向图。相位检测电路通常采用双通道外差式接收机实现。图4为直接用网络分析仪测的待测件端口的相位信息。
2.3 阻抗测量（impedance measurements）
阻抗测量用于评估天线与馈线系统之间的功率传输效率，通常用电压驻波比 (VSWR) 或回波损耗 (S11) 来表征。业界首选的仪器是矢量网络分析仪 (VNA)。在 VNA 的测试同轴线缆末端进行严格的误差校准（如 SOLT 或 TRL 校准）后，直接对天线的物理端口进行反射参数 (S11) 或者多端口S21，电压驻波比（VSWR）测量。由于辐射结构的开放性，天线的输入阻抗极易受到周围环境的干扰。在测试时，必须将天线放置在微波暗室或模拟其真实工作环境的开阔空间中，并确保天线主波束避开任何金属反射物，否则空间反射波会倒灌回天线，严重改变测得的真实阻抗值。
2.4. 极化测量 (Polarization Measurement)
极化测量用于确定天线辐射电磁波电场矢量的空间旋转特征，核心指标包括主极化方向、交叉极化鉴别率 (XPD)、轴比 (Axial Ratio) 和极化椭圆倾角。在测量时，通常使用具有极高极化纯度的线性极化天线（如标准增益喇叭）作为发射参考。先将参考天线与 AUT 调整为极化方向一致，测量主极化响应；随后将参考天线机械旋转 90 °测量正交极化（交叉极化）响应。两者之差即为交叉极化隔离度。
连续旋转法（针对圆极化天线）：对于圆极化 (CP) 或椭圆极化天线，可以通过让线极化参考天线在 AUT 保持静止的情况下沿中心轴进行 360 °连续旋转，测量电压传输比的最大值和最小值。通过提取极值和相位差，不仅可以计算出天线的轴比，还可以判定其是左旋 (LHCP) 还是右旋 (RHCP) 圆极化。
3. 测试系统的组成及类型
完成天线测量所需的仪器配置，主要取决于设计指标与测试需求。天线测试场的整套设备需具备宽频工作能力，通常可划分为五部分：源天线与发射系统、接收系统、伺服系统、数据采集记录系统和数据处理系统。
对于1 GHz以下频段，源天线常采用对数周期天线；400 MHz 以下频段多选用宽带馈源抛物面天线，也可使用大型喇叭天线作为发射源。整套系统需支持极化调控，将线极化源天线安装于极化转台，即可实现极化连续旋转；也可采用交叉对数周期阵列等圆极化天线，发射射频源需满足频率可调、高频率稳定度、高频谱纯度、合适功率电平及调制能力等指标要求。随着频率进一步升高，发射端需进行成本综合考虑，采用倍频或者扩频方案进行信号生成。
对于接收系统，最简配置可仅由辐射热计探测器搭配后置放大器组成记录仪即可。也可配置更精密、成本更高的高性能接收系统，以获得更高灵敏度、测量精度与动态范围。为获取所需的方向图切面，系统安装支架必须具备多平面旋转调节能力。通用型测试场地通常频率较为固化，为了在不同频段、不同尺寸、不同应用场景下获取高精度的测试指标，工业界和学术界发展出了多种极其复杂的天线测试物理架构，这些方案在空间利用率、建设成本、数学处理复杂度上各具特点。
3.1 直接远场测试系统（Direct Far-Field, DFF）
直接远场测试系统直接远场测试是最传统、最直观的方案。测试探头与被测天线（AUT）被直接放置在满足2D2/λ距离的环境中，无需复杂的电磁场重构算法即可直接读出远场辐射图。室外测试场（Outdoor Ranges）包括高架场（Elevated Range）、倾斜场（Slant Range）和地反射场（Ground Reflection Range）等，其中高架场将两端天线置于高塔上以避开地表反射；地反射场则刻意利用平整地面的镜面反射形成干涉，多用于极低频（如 VHF/UHF）的大型雷达测试。
远场微波暗室（Farfield Anechoic Chamber）是最常见的室内远场环境。墙壁贴满角锥或楔形吸波材料（Absorbers）以模拟无反射的自由空间。吸波材料的物理尺寸决定了暗室的低频截止频率。对于大型天线，极长的距离不仅造价昂贵，还会导致极高的空间路径损耗。
锥形微波暗室（Tapered Anechoic Chamber）是专为克服低频（尤其是 100 MHz 至 1 GHz）测试空间和吸波材料成本而设计。其一端为锥形漏斗状结构，发射天线放置在锥形顶点处。锥形壁上的反射波与直达波在传播过程中相位叠加，能够有效消除低频驻波并改善静区的性能，造价远低于同等低频性能的巨型矩形暗室。
图9.Tapered Anechoic Chamber [Nikolaos V. Kantartzis, Theodoros Tsiboukis, Wideband numerical modelling and performance optimization of arbitrarily-shaped anechoic chambers via an unconditionally stable time-domain technique]
近场测试系统（Near-Field Measurement, NFM）近场测试旨在极大地节省室内物理空间。探头天线在极靠近被测天线的特定表面上（通常几倍波长内）进行高精度 2D 扫描，采集复数幅相数据，然后通过严密的近场-远场数学变换（NFTF）反推出无限远处的远场特性。由于探头自身的辐射特性会干扰测量，算法中必须执行严格的探头补偿。
根据扫描机械轨迹的不同，NFM 分为三大主流架构：
平面近场（Planar Near-Field）：探头在一个巨大的二维平面（X-Y轴）上扫描。极其适合测试高增益、波束集中的阵列天线（如卫星通信平板天线、相控阵雷达）。但由于只能采集前方半球域的数据，无法测量天线的后瓣。
柱面近场（Cylindrical Near-Field）：AUT 绕自身垂直轴旋转，探头沿平行于 AUT 轴的直线上下移动，形成柱面包裹。完美契合具有扇形波束特性的基站天线（Base Station Antennas）测试。
球面近场（Spherical Near-Field）：探头或 AUT 在theta和 phi两个球面坐标轴上全方位旋转扫描，将 AUT 完全包裹于球面之中。这是最全面、最纯粹的测试方式，适用于全向天线（如手机天线）或需要测量三维完整方向图的复杂结构，但扫描耗时极长。
3.2 紧缩场测试系统（Compact Antenna Test Range, CATR）
CATR利用了抛物面几何光学的准直原理，将一个发射球面波的馈源喇叭放置在精密抛物面反射器（Parabolic Reflector）的焦点处。球面波经反射后，被拉平为平行的电磁波束，从而在极短的物理距离内（如 3-5米）直接物理合成出一片满足远场条件的平面波静区。其核心挑战在于反射面的机械加工。为了保证静区内相位波动小于10度，反射面的表面均方根误差（RMS）必须严苛控制在λ/100以内（在 60GHz 下即 0.05 毫米）。同时，为了抑制抛物面物理边缘带来的强烈电磁衍射破坏静区均匀性，反射面边缘必须采用复杂的锯齿状或卷边工艺。
4.测试相关主要射频器件/设备
在复杂的天线测试中，仅有核心仪器是不够的。构建一条稳定且低损耗的外部射频信号链路是系统设计的重中之重。当测试需求（如 77GHz）超出 VNA 或信号源的原生频率覆盖范围时，必须在靠近天线端使用扩频模块。链路通常由低频合成器起步，仪器输出基础 RF信号进入扩频模块内部的倍频器链）。倍频器通过二极管的强非线性区制造波形失真，激发出高次谐波（如 x6 或 x18），从而生成直接如77G的毫米波段测试信号。
另外物理链路的相位稳定性与线缆的稳定性对天线测试结果的准确度至关重要，在天线转台连续机械扫描时，连接射频仪器的同轴电缆必须随之形变。这种物理弯曲不仅会改变电缆局部的受力导致插入损耗加大，同时弯曲会挤压电缆内部的低介电常数介质层，引起等效介电常数波动。根据微波传输理论的时延公式，极微小的改变也会引发高频下剧烈的相位漂移。这种漂移会彻底破坏天线方向图形成所需的相位一致性。因此高精度系统多采用波导旋转关节彻底取代柔性线缆运动。
整个测试系统的可行性必须建立在严密的链路预算计算之上。依据 Friis 传输方程，信号发生器的输出功率、天线的增益、同轴或波导馈线的物理插入损耗，以及由于测试距离导致的绝对自由空间路径衰减，通过严密的链路计算，论证最终回传至 VNA 或频谱仪接收机的微弱信号功率能够稳定地高于接收机的宽带本底噪声，系统的动态范围才足以支撑高信噪比的测量。
4.1矢量网络分析仪（VNA）
矢量网络分析仪（VNA） 是用于测试天线无源物理特征常用设备，通过发送已知的激励信号并测量被测天线（DUT）的响应，能够同时精确提取信号的幅度与相位信息（即 S 参数）。VNA 用于测量天线的阻抗匹配（S11回波损耗、VSWR）以及与标准天线配合测量空间传输损耗（S21）以计算天线增益与三维辐射方向图。
网分内部的合成信号源，负责生成频率和功率精确可调的连续波（CW）或扫频射频激励信号。其次定向耦合器 / 定向电桥：在测试端口后方，包含了两组定向耦合器，一组用于对系统发出的前向入射波进行等比例采样作为参考信号，另一组专门用于获取由天线接口退回来的反向反射波或空间传输过来的信号。
由于极高频的微波信号（如 77GHz）无法直接被模数转换器处理，VNA 的测量接收机和参考接收机内部必须使用混频器。混频器利用非线性效应，将高频 RF 信号与跟踪的 LO 信号相乘，将其下变频至低频的恒定中频（IF）信号（通常低于 20 MHz），保留原始微波信号的相位与幅度比例信息。中频信号通过极窄的带通滤波器，用于滤除带外宽带热噪声、提高系统信噪比，随后由高速 ADC 将模拟信号转换为数字信号。数字信号处理器（DSP）处理数字下变频，并对采样后的参考通道和测量通道数据进行复数数学除法运算，提取出绝对的幅度比值和相位差（S参数），同时应用极其复杂的误差修正矩阵（如 TRL 校准算法）以消除线缆和仪器的系统性误差。
4.2 射频信号发生器（信号源）（RF Signal Generator / RF Source）
射频信号源在有源天线测试（如 TIS 接收灵敏度测试）或雷达目标模拟中不可或缺。主要功能是生成频率极度稳定、功率精确且往往带有复杂调制格式的射频信号，用以模拟真实世界中的基站信号、干扰源或雷达回波，从而唤醒或测试被测接收天线系统的极限性能。高稳参考振荡器（Reference Oscillator）与锁相环（PLL）是信号源的核心，通常使用恒温晶振提供极低相位噪声的低频基准。锁相环结合分频器与倍频器网络，将这一低频基准合成并锁定到任意所需的高频微波载波上，确保输出信号频率的绝对精确和极低的频率漂移。数模转换器（DAC）与任意波形发生器（AWG），在矢量信号发生器中，内部数字基带通过算法生成复杂的 I/Q（同相/正交）数字波形，随后由高精度、高采样率的 DAC 将其转换为模拟基带信号。调制器接收来自 DAC 的模拟基带信号，并将其加载到高频 RF 载波上。通过改变载波的幅度、频率或相位，生成如 QAM、PSK 等各种复杂的调制射频信号。
输出功率放大器（Output Amplifier）与精密步进衰减器（Attenuator）： 信号在输出前，放大器确保其具备足够的功率驱动能力；而机电式或固态精密衰减器则能够在极大的动态范围内（如从 +15 dBm 衰减至 -120 dBm）精确控制最终输出功率，对于测试接收机的极限灵敏度至关重要。
信号源种类丰富，标准连续波信号源（CW Signal Generator）、射频合成信号发生器（Synthesized Signal Generator）、调制信号发生器（An alog Modulated Source）以及高端矢量信号发生器（VSG）等。以是德科技为例，矢量信号发生器可使用具有高信号完整性的复杂、数字调制、真实信号来激励待测设备或系统。配合信号生成软件使用时，可通过预定义的标准波形快速准确地执行测试，涵盖5G新空口（NR）等蜂窝通信、无线局域网（WLAN）802.11等无线连接，以及全球导航卫星系统（GNSS）等导航解决方案。根据最高频率、带宽、通道数及相位噪声等参数，选择满足需求的信号发生器性能。
4.3 频谱分析仪（Spectrum An alyzer, SA）
与 VNA 提供内部激励不同，频谱仪作用是测量空中或线缆中未知输入信号的幅度随频率的变化分布。在 OTA 天线测试中，频谱仪用于捕捉天线辐射出的实际有效全向辐射功率（EIRP/TRP），以及监测天线与功放系统产生的带外杂散、谐波失真与干扰。其内部核心器件主要包括：射频输入衰减器（RF Input Attenuator）、预选器（Preselector）/ 低通滤波器（LPF）、扫频本地振荡器（Swept LO）与宽带混频器（Mixer）、分辨率带宽滤波器（RBW Filter / IF Filter）和包络检波器（Envelope Detector）与FFT 处理器。衰减器位于仪器最前端的保护与电平优化装置。当强信号进入时，衰减器会自动或手动增加衰减量，以保护后续极其脆弱的混频器不被烧毁，并防止混频器进入过载非线性区产生虚假的内部互调失真。预选器主要用于滤除高于目标测试频率的带外信号，防止高频信号或镜像频率进入混频器产生严重干扰，确保频谱显示的信号是真实存在的。
由于频谱仪（尤其是超外差式）的核心扫描机制，扫频 LO 的频率会随时间在设定的区间内线性扫描。当 LO 信号与输入信号在混频器中混合时，只有当两者的差频刚好等于后续中频滤波器的中心频率时，信号才会被通过。分辨率带宽滤波器是一个极窄的中频带通滤波器，它决定了频谱仪分辨两个靠得很近的频率信号的能力。RBW 越窄，频率分辨率越高，同时进入系统的底噪也越低。
最后检波器将中频信号转换为视频/基带电压，表示信号包络的幅度。在现代实时频谱仪（RTSA）中，检波器已被高速 ADC 和 FFT（快速傅里叶变换）处理器取代，能够并行处理极宽的带宽，并实现无缝捕捉极短的瞬态射频脉冲。
图 15 为经典超外差式频谱分析仪的高层原理框图。“超（Super）” 指音频以上的射频频段，“外差（heterodyne）” 意为频率搬移 / 频率变换。现如今，该架构已升级集成了更多数字电路，但其原始核心原理仍是理解频谱分析仪工作机制的基础。
图 17：包络检波器的输入与输出信号[Keysight]以往的频谱分析仪采用包络检波器（如图 17所示），将中频信号转换为视频信号。该器件使频谱分析仪具备电压表的检测特性，可跟随信号峰值幅度的变化，从而指示信号功率大小。新一代数字信号分析仪则不再使用包络检波器，而是通过数字信号处理，对 I/Q 正交数据进行平方和开方运算完成检测。下一部分为中频单元。该单元内的模拟滤波器（视频滤波器）可保障高频分辨率，使仪器能够将两路正弦信号区分开，各自独立显示。目前多数频谱仪同时搭载数字滤波器，用以提升带宽选择性。带宽选择性以 60dB 带宽与 3dB 带宽的比值作为衡量指标，便于精准测量幅值差异较大的多路正弦信号功率。
A、芯片封锁
B、 精密加工与材料科学
业界通常将 120GHz 视为衡量高端矢量网络分析仪同轴测试能力的一大物理分水岭，因为突破该频段意味着拿下了6G先导频段与下一代雷达核心战场主动权。在此频段下，波长仅有两三毫米，任何同轴连接器的机械加工公差都必须控制在微米级别，这对国内的基础冶金材料、车床加工精度与热膨胀控制提出了极大挑战。同样，在构建高精度的紧缩场（CATR）时，大型抛物反射面的表面精度必须在严苛的温度下稳定控制在约 15 微米（0.015毫米）的均方根误差（RMS）以内，这需要极其先进的激光干涉测量与高精度铣削工艺。这种长年累积的工业底蕴无法仅靠软件算法弥补。
C、计量溯源与底层算法
5.总结
