使用雙音法測試內置本振的相控陣天線

PART-01

前言

相控陣天線已廣泛應用于移動通信和衛星通信，在OTA暗室中使用矢量網絡分析儀進行校準、無源和有源測試已經較為成熟。但對于內置本振的相控陣由于輸入輸出頻率不一致且本振無法接入，常規測試方法無法進行穩定的幅相測試。本期將介紹一種新穎的測試方法，該方法巧妙使用R&S ZNA 矢網輸出雙音信號對內置本振的相控陣天線進行近場測試。

相控天線陣面的集成度越來越高，有些陣面將收發上下變頻單元也直接集成在陣面中且變頻單元的本振源也一同集成在陣面中，這導致常規矢網無法進行穩定幅相測試。而在相控天線的近場測試中，我們必須通過測得天線近場的幅相分布數據才能進行近場到天線遠場特性的轉換。針對這一業界難題，羅德與施瓦茨（R&S）結合R&S ZNA矢網內部多激勵相參源與雙數字接收機架構提出雙音法進行內置本振相控陣天線近場測試的新方法。

PART-02

內置本振天線接收單元的特點

對于一個集成本振的天線接收單元來說（如下圖所示），具有以下特點：內置本振、本振無法使用線纜輸入或輸出。因此，天線輸出信號的相位隨著天線接收激勵信號相位和本振相位的變化而變化。由于本振信號的相位未知且可能不穩定隨時間漂移，矢網輸入fRF時我們只能得到天線接收信號的相位，而無法得知本振相位的變化。這就對我們的測試提出了新的挑戰：如何去除本振帶來相位影響？

PART-03

解決方法

借助兩個測試天線，其中一個天線固定位置不動，另外一個天線作為天線近場測試的探頭天線在待測天線的近場進行掃描移動。然后，結合R&S ZNA獨有的雙音法混頻測試的技術，可以解決上述問題。測試框圖如下：

使用ZNA的兩個端口發出兩個頻率相近的信號f1和f2，分別送給兩只天線，之后，兩只天線發出的信號由同一個陣面天線進行接收，那么此時該接收陣面天線接收到的信號為一個雙音信號，同時這兩個信號分別與內置的本振進行混頻，接收陣面輸出頻率為f1-fLO和f2-fLO的雙音信號。

該方法不是直接測量陣面天線輸入和輸出之間的相位，而是使用ZNA測量雙音信號的兩個音之間的相位差。分別測試陣面天線的輸入端和輸出端的雙音相位差值。使用公式(1)和(2)，ΔΦ為天線陣元輸出端雙音相位的差值減去輸入端的差值。在被測天線的視軸位置，ΔΦ被歸一化為零。此后，當探頭天線在待測陣面天線空間近場移動時，ΔΦ的相對測量結果反映了待測陣面天線的近場相位變化。

此時，對于天線接收陣面，相位的變化如下式：

（1）

注意到上式中的兩個ΦLO可以消去，可以簡化為：

（2）

上式中φ1in和φ2in均由ZNA給出，而Φ1out和Φ2out均輸入回ZNA。

可以觀察到，本振的相位偏差（公式(1)中的φLO）對陣面天線的兩個下變頻載波具有相同影響，因此本振的變化在公式(1)中相互抵消，最終得到公式(2)。因此，通過這種雙音比較的方法，由嵌入式本振相位引起的偏差對測量的準確性和穩定性幾乎沒有影響。

PART-04

雙數字接收機架構

為了測試不同頻率的兩個雙音信號之間的相位，R&S ZNA矢網具有特殊的接收機架構。該接收機架構中，兩個信號均被下變頻至矢網接收機的中頻，中頻信號數字化之后，被分成兩路輸入并行的數字（I路和Q路）混頻器和濾波器，這兩條路徑配有兩個獨立的數控振蕩器(NCO)，這些NCO頻率差與兩個激勵雙音射頻信號的頻率差相同，因此，兩個不同頻率的信號可以被變頻至相同的頻率，從而實現穩定的相位差測試。如下圖所示，不同的信號f1和f2最終被混頻為相同的中頻a1和a'1。

對于同一個接收機，ZNA可以同時顯示兩個波量，例如在1端口的參考接收機顯示信號a1和a'1，或在2端口的測量接收機處測量天線陣元的輸出信號b2和b'2。

雙音信號的頻率差可以設置任意值，但需足夠小以確保兩個信號都能在ZNA數字接收機中處理，同時頻率差還需大于數字下變頻后數字中頻濾波器的帶寬，以便每個信號均可獨立測量而互不干擾。

PART-05

測試方法

上圖為ZNA進行測試的一種接線方式，其中1端口輸出單音給移動的天線，3端口輸出另外一個單音信號給固定天線，2端口對天線陣元接收并下變頻的雙音信號進行接收，此時，需要測試的波量比為a1/a'3和b2/b'2。此時的DUT的相位為：

另外，當移動的探頭位于軸線（Boresight）處時，記錄此時的相位值

以此處（最大值）作為基準進行歸一化，那么可以由下式計算天線近場方向圖的歸一化幅度和相位

PART-06

測試實例

由于在實驗室中測試，將上述的天線連接結構進行簡化，使用合路器替代兩個天線

如上圖所示，1，3端口分別輸出頻率不同的單音信號，經過合路器之后，輸入混頻器，混頻器的本振由獨立的信號源提供，最終中頻信號輸入值矢網的2端口。之后，為了模擬探頭的移動，在f1輸入合路器前增加衰減器再次進行測試。實際接線如下圖：

設置矢網的測試頻率為1.2G-2.2GHz，射頻f1=1.2GHz-2.2GHz由一端口輸出，f2=1.201GHz-2.201GHz由三端口輸出，功率-10dbm,信號源提供固定本振1.1GHz，中頻為100M-1.1GHz輸入至矢網的二端口。

ZNA的端口設置如下所示

其中，需要將2端口的Δfrequency a’,b’設置為1MHz。

3端口的頻率由于設置為fb+1MHz，計算中無需使用a'3，直接使用a3即可。

將IF Filter（analog）設置為wideband：

輸入信號需要測試的波量比為a1/a3,如下圖所示：

輸出信號需要測試的波量比為b2/b’2,如下圖所示：

設置coherence mode on，測試結果如下

上圖中，trc2為a1/a3,也就是輸入相位，trc3為b2/b’2,也就是輸出相位，

右下角的trc3Divtrc2表示的是

，在一開始設置為boresight模式，也就是最大值，

上方的trc8為如下公式

模擬的是視軸歸一化之后的值，此時為1，即：

之后，在1端口與合路器之間增加3dB衰減器來模擬探頭的偏移，此時測試結果如下：

此時，trc8的數據即為在這個位置時，測量得到的天線的相位信息。

在實際的天線測試中，移動天線并持續進行測試，可以達到整個近場各個位置的幅度相位信息，再進行近遠場變換計算之后，可以得到掃頻范圍內，各個頻點的天線方向圖信息

總 結

由上述示例可見，在使用R&S ZNA矢量網絡分析儀對集成內置本振的相控陣接收模塊進行近場測試時，具備多項系統級優勢：

1. 支持內置本振混頻天線單元的校準：ZNA獨有的雙音法測試，能夠適配各類混頻器結構的天線模塊，無需外部本振源參與，即可實現對天線陣面幅度與相位響應的精確標定。

2. 無需對矢網進行傳統校準即可直接測試：該方案采用相對值進行測試，簡化了傳統多步校準流程，提升了系統搭建與測試效率。

3. 支持掃頻測試，突破點頻限制：不同于傳統點頻校準方法，ZNA可在寬頻帶范圍內進行連續掃頻測量，獲取天線單元在工作頻帶內的完整頻響特性，更全面快速地進行各個頻點方向圖的測試。

4. 單臺儀表實現完整測試，系統集成度高：僅需一臺ZNA即可完成包括激勵、下變頻、分析與校準在內的全流程測量，極大簡化測試平臺結構，降低設備成本與系統復雜度，便于系統集成與維護。

羅德與施瓦茨業務涵蓋測試測量、技術系統、網絡與網絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯的世界。成立 90 多年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產品和解決方案賦能眾多行業客戶，助其獲得數字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業，公司在全球范圍內獨立、長期、可持續地開展業務。