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Ka/Ku波段卫星通信终端(三)

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Ka波段平板相控阵天线设计

Ka 波段(27.5–30 GHz,本文所述阵列实际覆盖 27.5–31 GHz、带宽 3.5 GHz)平板阵列天线是近地轨道卫星通信下一代终端的前沿方向。凭借其电子跟踪能力、低剖面与易安装的优势,正逐步替代传统抛物面终端。

相控阵天线(Phased Array Antenna,电子扫描阵列 ESA)的核心机理,是通过精确控制阵列中每个辐射单元的信号相位与幅度,使电磁波在目标方向相干叠加形成主瓣、在其他方向相互抵消,从而在不转动天线本体的前提下实现波束指向的毫秒级快速切换。这决定了它在卫星通信中的天然适配性:LEO 卫星以约 7.8 km/s 的速度高速过境,机械转台根本无法跟上其轨迹,唯有电子扫描能在卫星横跨天空的数分钟内持续锁定。按架构划分,相控阵分为无源相控阵(PESA,集中式高功率发射机 + 各单元移相器)与有源相控阵(AESA,每个单元或子阵配备独立的 T/R 组件)。AESA 的优势在于无单点故障、可独立控制每单元幅相并实现多波束,代价是成本与功耗更高、散热更复杂;现代卫星通信终端普遍采用AESA 的芯片化变体,将功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、移相器与衰减器集成进一颗波束赋形集成电路(BFIC),在性能与成本之间取得平衡。这一技术演进方向与公开研究对 AESA 架构与射频前端集成的论述一致:相控阵的单元级有源化与组件集成化,是实现低剖面、可量产终端的共同路径。

系统设计

按单元、子阵、 阵列 、板级 、链路的信号流顺序,深入解析64阵元平板阵列天线,所设计阵列由 64 个阵元(8×8)构成,在保持低剖面的同时提供高增益,并可在方位角与仰角方向实现 −60° ~ +60° 的电子波束偏转;可配置为右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)。相控阵借助第三方波束赋形集成电路操控幅度与相位,实现波束指向与方向图整形。

针对 30 GHz 下阵元间距小(约 5 mm)带来的集成与散热挑战,本文采用多层 PCB 结构,将波束赋形 IC、功率分配网络、数字布线、无源器件与天线阵元全部整合于阵列点阵之中。整副天线在 27.5–31 GHz 宽频带内实现峰值增益 21.9 dBi ,总功耗约 11 W。

表一:产品参数指标汇总

平面相控阵的硬件开发主要由三部分组成:天线设计、射频电路板设计、控制板设计。三条链路的最终合成一块 11 cm × 9 cm 的板卡。

64阵元贴片阵列天线在 CST中完。PCB集成 BFIC 与天线阵列。BFIC 安装在卡板的一侧,辐射阵元印制在另一侧,并包含专用的射频、直流与数字布线金属层,兼具散热分布功能,从而降低整体剖面、成本与射频损耗。控制板为 RF 板上的 BFIC 提供直流电源,并通过 SPI 接口提供数字控制信号,可独立成板或集成在 RF 板上。如图1。

天线单元设计

天线采用平面双极化堆叠贴片天线(Stacked Patch Antenna)。贴片天线基本机理是在介质基板一面的金属贴片与另一面的接地板构成谐振腔,贴片边缘的缝隙向外辐射;由于电流沿贴片边缘分布,具有低剖面、易共形、易与有源电路集成等优点,代价是传统单贴片带宽很窄。作为对比,常用于相控阵的另外两类辐射单元是波导缝隙(Slots in Waveguide)与偶极子/贴片 + 透镜结构:波导缝隙带宽更宽、功率容量更高,但剖面高、难以平面集成;偶极子 + 透镜可实现宽角扫描,但体积与成本不允许消费级终端采用。贴片天线因此在宽带、低剖面、集成度三者间取得了最佳折中。

平面双极化堆叠贴片天线单元包含三层:地平面、辐射贴片与寄生贴片;贴片通过两个馈电探针馈电,分别用于 V(垂直)极化与 H(水平)极化,单元尺寸为 4.85 mm × 4.85 mm。

单贴片微带天线带宽较窄(S11 < −10 dB 时仅约 5%),而引入寄生贴片可将带宽拓展至 10%–20%,足以覆盖 27–31 GHz 的 SATCOM Ka 波段。圆极化(CP)通过对两个馈电探针施加 90° 相位差实现;在多层 PCB 堆叠中,两探针直接连至 BFIC 输出端,依所需极化在 V、H 两端口间引入相位差,使单元呈现 LHCP 或 RHCP。

在贴片与寄生贴片层上,每个阵元周围均设置了围栏结构并接地。由于阵元间距很近,接地围栏可有效抑制表面波与互耦效应。

波束赋形与阵列结构

所用 BFIC 具有 8 个输入/输出引脚,可控制 4 个天线单元(构成一个 2×2 子阵列),BFIC 的引脚与 2×2 子阵列对应关系及其天线单元排布如图 所示。

带有两个馈电探针的单元,以及通过顺时针或逆时针旋转天线单元构成的 2x2 子阵,一个 BFIC 与 4 个天线组成的 2x2 子阵配置,子阵间采用90°相位差的顺序旋转。每个 BFIC 驱动四个双极化天线(排列为 2×2 四元组)。图 5 为一款用于 2×2 子阵列的 Ka 波段四元组 4×2 发射(TX)BFIC 系统框图,内部通常包含输入缓冲器、SPI 数字控制接口、DAC(用于设置各通道相位/幅度)、乘法器(混频器或 VGA)及末级功率放大器(PA)。

借助 2×2 子阵列,可构建 64 元贴片天线阵列:16 个八通道BFIC 各驱动 4 个排列成 2×2 四元组的天线单元(16 × 4 = 64),整个阵列被划分为 16 个独立的 2×2 子阵列。从信号流看,16 颗 BFIC 各自驱动一个 2×2 子阵,16 个子阵拼成 64 元阵列。16 个 IC 通常通过矩阵总线相连,由中央处理器(FPGA/ASIC)经共用 SPI 总线协同控制;射频信号、数字布线与电源分布电路均集成于单一 PCB 上。

阵列的扫描性能

相控阵之所以能实现波束偏转,本质是阵列因子(Array Factor)的相位梯度控制。设相邻单元的间距为 d,波束指向与法线夹角为 θ₀,则相邻单元需引入的相位步进为 Δφ = (2π/λ) · d · sin θ₀。当 θ₀ = 0时 Δφ = 0,全体单元等相激励,阵列因子最大、增益最高;当 θ₀ 增大时,沿扫描方向的口径投影面积按 cos θ₀ 收缩,有效口径减小,故增益下降、HPBW 展宽。同时阵元间距越小、工作频率越高,相邻单元的近场相互耦合越强,它会改变单元的有源阻抗、恶化驻波比,并在大角度扫描时抬升旁瓣。业界对平板相控阵的普遍担忧是:广角扫描会加剧互耦,进而降低灵敏度、抬升噪声。本文通过在每个阵元四周设置过孔围栏结构,抑制表面波传播,从物理层削弱了这一效应。

图 7 展示了该阵列的仿真三维辐射方向图(主瓣指向法向方向及方位角 60° 方向),方向波束无失真、增益最高;扫描至 60° 时,随有效孔径投影减小,阵列增益下降(约每 10° 下降 1 dB),且互耦增强可能引入旁瓣或栅瓣。

PCB设计

多层 PCB 将 BFIC 与天线阵列集成。主要材料为 Rogers MT77(高频板材,介电常数 Dk ≈ 2.55,类似 RO4350B)。图 8 展示了 64 元相控阵(8×8),其 16 个 BFIC 集成在 7 层 PCB 顶层,顶层还实现了一个 1:16 的 GCPW(带地共面波导)Wilkinson 功率分配网络,64 个贴片天线单元印制在底层。板尺寸约 11 cm × 9 cm。

上图展示了PCB的顶层和底层。顶层集成了16个BFIC,底层则是64单元贴片天线阵列。控制板负责向RF板上的BFIC提供直流电源,并通过与MCU)的SPI通信来控制辐射单元的相位和幅度。采用12 V直流电源供电。

单个单元的方向性系数在 29 GHz 时约为 4.4 dB,可由下式给出:Directivity_element = 10 · log₁₀( 4π Dx Dy / λ² ) = 4.4 dB @ 29 GHz(中频段)

其中,Dx 和 Dy 是单元栅格(grid)的尺寸。在本设计中:

Dx = Dy = 4.85 mm

64 单元相控阵的方向性系数计算方式为:

Directivity_Array_64 = D_element + 10 · log₁₀(64) = 22.4 dB @ 29 GHz

阵列方向性系数 = 单元方向性 + 阵列因子增益。10·log₁₀(64) ≈ 18 dB 表示 64 个单元完全同相叠加带来的功率增益。故总方向性系数 = 4.4 + 18 = 22.4 dB。

天线增益 G_ant 与其方向性系数相关,可表示为:

Gain_ant = Directivity_ant − L_ant

其中,L_ant 是天线的欧姆损耗和介质损耗,约为 1 dB。在这种情况下:

Gain_ant = Directivity_ant − L_ant = 21.4 dB @ 29 GHz

需要注意的是,这是相控阵在法线方向的最大增益。当阵列扫描不同角度时,会产生增益损失,该损失是扫描角度的函数。在偏离法线方向 60 度时,损耗约为 4 dB。(扫描损耗(Scan Loss):相控阵在偏离中心(法线)方向扫描时,受单元方向图滚降(Element Pattern Roll-off)和有效孔径面积投影减小的影响,增益会下降)

圆极化的 EIRP 计算如下:

EIRP = Pt · Gt = P_element + Gain_antenna + 10 · log₁₀(N)

其中,Pt 是发射功率,Gt 是相控阵增益,N 是天线单元数量,P_element 是天线单元输出功率。Gain_antenna 为天线阵列增益(21.4 dB);10·log₁₀(N) 为阵列阵元数量增益(10·log₁₀(64) = 18 dB)。

BFIC 的单通道输出功率为 9.5 dBm。由于每个天线单元由两个 RF 通道馈电(用于实现圆极化),因此在 OP₁dB(1 dB 压缩点)处,BFIC 到每个天线单元的输出功率为 9.5 dBm+ 3 dB = 12.5 dBm;(两个 9.5 dBm 信号合成到一个辐射体上时功率翻倍,分贝域翻倍即 +3 dB,故单单元输入功率 P_element = 12.5 dBm。)此时圆极化的 EIRP 在 OP₁dB 处约为 52 dBm。该写法将阵列总增益拆解为单元增益和数量增益。每个单元由两个 RF 通道馈电(对应圆极化的两个正交模式)。

上图展示了不同扫描角度下的测量辐射方向图。对法线方向波束还施加了幅度加权,可观察到旁瓣电平(SLL)降低。采用 Taylor/Chebyshev 等锥削分布让边缘单元输出低于中心单元,虽以主瓣峰值略降(约 3 dB 阵列增益)为代价,却可将 SLL 从 −13 dB 压低至 −20 dB 甚至更低,从而减少对其他用户的干扰并满足频谱屏蔽规范。

热管理

热管理对于维持 IC(集成电路)性能至关重要,因此系统使用了散热器和风扇来耗散产生的热量,并将温度波动保持在较低水平。散热器和风扇安装在 RF 板下方。图 11 展示了系统中不同部件的连接方式。

总结

本文采用 7 层 PCB 堆叠,以垂直维度换取水平紧凑(11 cm × 9 cm),实现了真正的“平板化”低轮廓设计;并通过顺序旋转(SR)技术获得更宽圆极化带宽,实现±°的波束扫描、增益超过 20 dB,且支持灵活极化配置。相同设计概念可推广至 17.7–21.2 GHz 的卫星通信接收(Rx)阵列,为该频段收发共口径系统提供技术底座。

声明:本文档基于公开技术资料整理与分析,设计方案和原理引用来自ReliaSat 卫星通信公司Ming Yang的技术文章,器件型号、规格参数与性能指标以官方最新数据/产品手册为准,不做商品推荐,仅对方案进行说明,旨在帮助读者了解该类型终端的射频/天线方案设计,供参考学习,正式方案论证须进一步核实。


来源:雷达天线站
ACT电源电路电子芯片通信CST材料控制
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首次发布时间:2026-10-24
最近编辑:46分钟前
雷达天线站
硕士 专注天线仿真和设计
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天线测试技术剖析—从原理到系统

2026年4月30日,美国联邦通信委员会(Federal Communication Commission,FCC)通过提案,拟禁止中国等未与美国签署互惠协议国家的实验室为电子设备提供FCC认证测试服务。提案设立了两年过渡期,期间逐步取消中国实验室资质,并为美国本土及互惠国家实验室开辟快速审批通道。此举直接影响全球约75%的电子产品测试业务,涉及智能手机、智能家居等射频设备。企业需提前布局海外测试资源,或转向中国在东南亚等地的实验室分支机构应对。与此同时FCC此前已撤销23家中国实验室资质[1]。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&#39;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。 图1:天线场分布 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。 微波暗室的设计,首先需要确定的是产品的外形尺寸(也就是前面所要求的最大待测件口径D)和需要的测试频段要求。这两个要求决定了暗室的尺寸。另外一些要求如测试精度要求、屏蔽效能、吸波特性以及系统动态范围等,精度要求越高,造价越贵。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 15:超外差式频谱分析仪原理框图[Keysight] 图 16:频谱分析仪第一级模块 —— 射频衰减器结构示意图[Keysight] 如图 15 所示,射频衰减器用于保证信号以最佳电平输入混频器。若信号幅度过高,会造成混频器过载,进而产生失真;同时该器件可保护频谱分析仪免受损坏。图 1 中的下一级模块为低通滤波器,作用是阻隔高频信号进入混频器。在新一代微波频谱分析仪中,该低通滤波器已被预选器替代。紧随其后的核心器件是混频器,属非线性器件,它不仅输出两路原始输入信号,还会产生各次谐波,以及谐波的和频、差频分量。混频器结合本振(LO)与中频(IF)实现频谱调谐,其后为中频增益模块。该模块用于调节信号垂直参考电平,并与输入衰减器联动控制,保证两者不会独立变化,从而使信号位置保持稳定。信号随后进入中频滤波器,滤除通带外无用信号,只保留目标频段分量。最后信号会经过后续处理,包括放大、对数压缩等运算。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。这里需要补充一点,为何高端测试设备会面临卡脖子问题?测量是精密制造的眼睛,长久以来,全球电子测量仪器行业的第一梯队被是德科技(Keysight)和罗德与施瓦茨(Rohde &amp; Schwarz)等极少数几家外资巨头绝对垄断。国内在高端射频微波测试设备(如高频VNA、高端频谱仪、大型CATR暗室)上长期处于追赶状态,其面临的卡脖子环节主要集中在以下维度:A、芯片封锁测试仪器的动态范围和测量带宽,从根本上受限于其内部的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。要对超宽带射频或毫米波信号进行高保真的中频采样,需要极高采样率与高有效位数的 ADC 芯片,而这类顶尖集成电路长期面临着严苛的出口管制与技术封锁。此外,仪器内部的毫米波有源无源器件——如非线性采样器、超宽带混频器以及毫米波阵列开关芯片,其材料生长与工艺流片门槛较高,一直是制约国产设备向更高频段演进的硬伤,但近年来国内科研院所与企业联合攻关,已在局部毫米波开关芯片上实现了国产替代突破。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高端仪器的价值不仅仅是硬件,更是其背后庞大的数学误差修正模型。外国巨头在过去几十年中积累了海量的器件非线性数据和寄生参数模型,并主导了多种微波校准算法的标准制定。更重要的是,测试仪器的核心在于“计量溯源”,即仪器的准确度必须能够追溯到国家级甚至是国际物理基准。外资巨头与国际标准组织的深度绑定,形成了一套难以逾越的生态信任壁垒。虽然近年来国内部分国家队企业在 120GHz 及更高频段仪器上取得了重大突破并稳居国内领军地位,但要在全频段、全指标的生态信任度上完全对标国际一流,仍需较长的技术与时间沉淀。5.总结任何通信产品均需要确认辐射性能,因此不论在研发或生产阶段,电性能测试是不可或缺的一环,此时,测试的目的就变成了信号纯度的验证,设备、器件和结构构成了信号的通路,不同器件实现不同功能,以保证信号朝着目标方向转换、流动。另当前阶段欧美开始对测试进行遏制,后续可能针对EDA与全波电磁仿真软件(美国主要产品是Ansys HFSS)、高端设备制造所需的材料和DSP或存储芯片、亦或者是国际标准制定与计量等方面进一步进行限制,但伴随着不断的研究和付出,我们总会在努力中实现突破。注:FCC 成立于 1934年,是根据美国《通信法》建立的一个独立的美国联邦政府机构。它直接对美国国会负责,不受美国其他行政部门的干预。FCC 的主要职责是管理美国本土(包括50个州、哥伦比亚特区及美国领地)的州际和国际通信。其管辖范围极广,包括无线电波(手机、Wi-Fi、蓝牙、雷达等)、电视与广播、卫星通信和有线通信(电缆、光纤等),只要产品能发出电磁波,或者通过线缆传输信号,FCC 就有权管辖。美国法律严格规定,任何可能产生射频(RF)能量的电子产品,在进入美国市场销售、进口甚至展示之前,都必须获得 FCC 的授权与认证。虽然 FCC 只是美国的政府机构,但由于其成立时间早、技术标准极其完善、测试方法极其严谨,许多国家和地区(尤其是一些南美、中东国家)在制定本国的通信标准时,会直接参考或直接认可 FCC 标准。以雷达出海业务为例的公司,经过美国本土的FCC认证报告通常需要包括雷达的具体组成、性能测试报告或用户手册(产品用途)如下图。 对于厂商来说,过得了世界上最严格的 FCC 认证,往往意味着产品的电磁兼容性(EMC)和射频性能(RF)已经达到了很高的水准,再申请其他国家的认证(如欧洲 CE、中国 SRRC/CCC)就会容易得多。如果未取得 FCC 认证就强行清关或销售,产品将被美国海关直接扣留、没收,企业将面临巨额罚款,甚至面临刑事诉讼。为了拿下美国市场,全球厂商必须去做 FCC 认证。国内的功能区分有所差别,工业和信息化部(MIIT) 主导、多体系并行的监管模式,核心分为无线电型号核准(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,覆盖射频性能、网络接入与电气安全。来源:雷达天线站

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