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天线电路参数测量电压驻波比的测量
天线电路参数测量1.1经典的测量线测量方法
测量线（或称开槽线）是一种传输线结构，通常用波导和同轴线制作而成。
其基本测量原理是：依据电磁波在传输线传播时，入射波与反射波叠加形成驻波的原理，测量线是用来测量传输线上电场强度的驻波图，纵向移动插入于中心槽内的探针，对被测天线的反射信号进行取样，取样信号经晶体检波器检波，将检波出的1kHz的方波信号，经选频放大器放大后，直接显示出电压驻波比。
测量时信号源提供由1kHz方波信号调制的射频信号，要求其频率、功率可调且稳定可靠，系统中EH阻抗调配器是为了满足系统的源驻波比≤1.05而设置的，当对应某个频率点后，方可调节E面及H的短路活塞位置，同时观察选频放大器指示读数为宜。可变衰减器是用来方便调节功率电平且对反射信号有隔离作用。
天线电路参数测量1.2标量网络分析仪测量法
由信号源、标量网络分析仪与信号分离器件（定向电桥或定向耦合器）组成标量网络分析仪传输与反射测量系统。信号分离器件是用来分离传输线上或被测器件端口的入射电压或反射电压的器件。
标量网络分析仪测量系统分单通道和双通道测量系统（参见图1和图2）。单通道反射测量系统配置如图1所示。定向电桥的副臂端口与A检波器相连接，另一端口为测试端口。
图2所示为采用功分器和定向电桥共同组成的进行双通道反射测量系统。源信号通过功分器分路，一路到定向电桥和A检波器组成测试支路；另一路和R检波器相连组成参考支路。在实际应用中，由于DUT不可避免地存在反射，并且合成扫源也存在一定的功率漂移，因此采用功分器组成的双通道反射测量系统进行反射测量，不但能准确测量电桥输入信号的功率电平，并可以消除信号源功率漂移和波动的影响。
图1单通道反射测量系统
图2双通道反射测量系统配置
天线电路参数测量1.3矢量网络分析仪测量法
下面以安捷伦公司E5071C为例介绍移动通信基站天线馈线驻波比（回波损耗）测量步骤。
步骤1.确定测量条件
（1）预置E5071C。
“Preset”（预置）>“OK”（确定）
（2）每个通道中的扫描顺序
在通道中，将每个测试端口按端口号的顺序设置为激励端口，并更新每条迹线。
表1激励端口表
扫描顺序 | 激励端口 | 更新的迹线 |
1 | Port1（端口1） | S11、S21、S31、S41 |
2 | Port2（端口2） | S12、S22、S32、S42 |
3 | Port3（端口3） | S13、S23、S33、S43 |
4 | Port4（端口4） | S14、S24、S34、S44 |
（3）将S参数设置为S11或S22。
“Meas”（测量）>S11（S22）
（4）将数据格式设置为对数幅度格式。
“Format”（格式）>“LogMag”（对数幅度）
（5）设置起止频率：如：806-960。
Start>8>0>6>M/m
“Stop”>9>6>0>M/m
使用键盘输入频率单位时，键入“G”表示GHz、“M”表示MHz，而“k”表示kHz。
（6）指定每次扫描的测量点数。在本测量示例中，测量点数设置为401。
“SweepSetup”（扫描设置）>“Points”（点）>4>0>1>x1
（7）指定信号源的功率电平。在本测量示例中，功率电平设置为-10dBm。
“SweepSetup”（扫描设置）>“Power”（功率）>+/->1>0>x1
（8）根据需要，指定接收机的IF带宽。在本测量示例中，为了降低本底噪声，将IF带宽设置为10kHz。
“Avg”（平均）>“IFBandwidth”（IF带宽）>1>0>k/m
步骤2.校准
（1）选择适用于该测量电缆的校准套件。在本测量示例中，选择校准套件85032F。
“Cal”（校准）>“CalKit”（校准套件）>“85032F”
（2）将校准类型设置为全2端口校准（使用测试端口1和2）。
“Cal”（校准）>“Calibrate”（校准）>“2-PortCal”（2端口校准）>“SelectPorts-1-2”（选择端口-1-2）
（3）将开路标准（包含在校准套件中）连接至测量电缆的另一端（如图3所示，该电缆连接至测试端口1），然后测量测试端口1处的开路校准数据。测量开路校准数据后，将在“Port1Open”（端口1开路）菜单的左侧显示选中标记。
“Cal”（校准）>“Calibrate”（校准）>“2-PortCal”（2端口校准）>“Reflection”（反射）>“Port1Open”（端口1开路）
（4）使用同样的方法，测量测试端口1处短路/负载标准的校准数据。
使用与上述相同的方法，测量测试端口2处开路/短路/负载标准的校准数据。
图3校准连接
步骤3.测试
（1）连接电缆测试一端到分析仪端口1，另一端连接宽带匹配负载。分析仪显示测试结果。
（2）调出标记菜单，鼠标点击标记搜索，在标记搜索对话框内，搜索典型值，点击执行及OK。
天线电路参数测量衰减的测量
基于传输测量原理的衰减或损耗测量原理框图如图4所示。当反射系数ΓG的信号发生器直接与反射系数ΓL的负载相连接，令耗散在负载上的功率由P1表示。现在如果将一个两端口网络连接在同样信号发生器和负载之间，令耗散在负载上的功率减小为P2。这个两端口网络用分贝表示的插入损耗由下式定义：
L（dB）=10log10（P1/P2） （3.2.1）
此时的衰减定义为反射系数ΓG和ΓL=0的插入损耗。
注意：插入损耗与ΓG和ΓL直接相关，也就是仅与两端口网路的衰减有关，如果信号发生器和负载在衰减测量中，不是理想匹配，将会产生测试误差。也叫“失配误差”，它由插入损耗和衰减之间的差决定。因此：
失配误差（M）=L－A （3.2.2）
图4插入损耗原理框图
天线电路参数测量天线噪声温度的测量
天线电路参数测量3.1测量目的
天线噪声温度（Ta）是影响接收系统噪声温度的因素之一。是衡量接收微弱信号的一个重要参数。在射电天文和卫星通信、遥测遥控等系统中，天线噪声温度是一个很重要的参数，因为天线、地面和天空的背景噪声对总的系统噪声都有影响。这一系统噪声最终确定了对系统信噪比的限制。在模拟终端，信噪比S/N下降影响图像质量，载噪比C/N下降，误码率Pe增加。所以在进行系统设计时必须对系统噪声进行研究、测量，找到减小噪声的途径。
天线电路参数测量3.2天线的噪声温度的估算
在微波频率范围，地面大约有300K的等效温度，对天顶（竖直向上，与地面垂直）观察时，天空温度大约为5K，而沿地平线观察时则为100～150K之间。
进入天线的噪声主要来自银河系的宇宙噪声和来自大地大气层的热噪声。天线噪声温度恒定部分主要由下列因素组成：
宇宙背景的微波辐射，其数值约为2.8K；地面辐射所造成的噪声，由于天线辐射方向图的旁瓣特性，此影响随着天线仰角的变化而略有变化，仰角越高，噪声温度越小，来自此噪声源的数值预期为4～6K；天线系统欧姆损耗所产生的噪声，此分量预期为3～4K。
天线噪声温度近似计算公式：
TA=TC+Tm（1-b0CSCEL） （3.3.1）
式中：TA为天线噪声温度，单位为k；
TC为天线噪声温度恒定部分；
Tm为吸收介质的平均辐射温度；
b0为天顶方向的大气传输系数；
EL为天线仰角。
显然，只要确定了恒定部分TC和大气传输系数β0，就可简单计算出天线在不同仰角的噪声温度。表1给出了在天顶方向上（EL=90°）不同天线口径的TC和b0的典型测量值。
表1 天顶方向TC和β0的典型测量值
频率（GHz） | 天线直径（m） | TC（K） | β0 |
11.75 | 10 | 8.3 | 0.9858 |
11.45 | 18.3 | 7.3 | 0.988 |
17.60 | 10 | 8.3 | 0.9738 |
18.40 | 13 | 9.3 | 0.940 |
31.65 | 10 | 11.5 | 0.934 |
18.75 | 11.5 | 4.5 | 0.970 |
对于卫星通信地面站天线一般工作于C或Ku频段，通过大量实验数据研究分析，总结出天线噪声温度近似计算公式：
C：TA=87.09（EL）-0.39 （3.3.2）
Ku：TA=88.34（EL）-0.19 （3.3.3）
图5给出了C/Ku频段地面站天线噪声温度曲线。
天线电路参数测量无源互调测量
天线电路参数测量4.1无源互调的定义
当有多个不同频率的信号加到非线性器件上时，非线性变换将产生许多组合频率信号，其中的一部分可能落到接收机通带内，成为对有用信号的干扰，称为互调干扰。
随着移动通信的高功率多通道的发展，一种新的电磁干扰源—无源互调（PIM）已作为天线的重要性能指标出现。无源互调是两个或更多频率信号混合输入到大功率无源器件中，产生幅度不等的新的频率成分，落入接收机通带内，对有用信号的干扰，称为无源互调。
天线电路参数测量4.2无源互调的危害
天线的互调主要是三阶互调的影响，该干扰信号使得移动通信基站的覆盖范围减小、通信信号丢失、语音质量下降、系统容量受限等。
天线电路参数测量4.3无源互调是如何产生的
无源器件包括：天线、射频馈线、连接件、双工器、滤波器、避雷器、射频终端负载、定向耦合器及衰减器等。
天线中互调产生的成因主要是天线使用了铁质材料，由于磁滞的关系属非线性；另外所用材料不纯、连接件问题等，详见图6。
图6PIM来源示意图
天线电路参数测量4.4互调失真产生机理
两个载波信号经过非线性网络，产生互调失真频率，如图7所示。
图7互调失真频率示意图
移动通信GSM系统实例：
图8三阶互调失真信号示意图
f1=925MHz
f2=960MHz
2f1-f2=(925×2)-960=1850-960=890MHz
无源互调测量是通过无源互调分析仪来实现的。
天线电路参数测量4.5无源互调分析仪原理
图9和图10所示为SummiteK和Rosenberger两款互调分析仪的工作原理框图，由图不难看出它们共同的原理：两台合成信号源给出幅度相等的具有一定频率间隔的两个载波信号（如f1=935MHz，f2=960MHz），两路信号经过功率放大达到规定值，通过合路器、定向耦合器、双工器等到测试端口。定向耦合器取样参考信号，双工器作为信号分离器件既可以传输测试信号给待测件，又可以将待测件产生的互调信号分离馈送给接收机。
图9互调仪RF标准配置原理框图
图10Rosenberger互调分析仪工作原理图
天线电路参数测量4.6测试步骤
1）待测天线必须安装在一个无反射的自由空间或模拟自由空间（无回波室），如图11所示测量设备与测试人员远离其中。待测天线距吸波材料有一定距离，确保吸波材料感应回波不产生互调。同时还要保证吸波体间相同极化间隙不产生泄漏。
（2）确保射频电缆剩余互调小于待测天线的互调值。这可以通过在电缆一端接一个低互调负载，在所需的形变范围内移动电缆而测得。
（3）要用低损耗射频电缆。当电缆损耗超过1dB，无源互调测量误差显著增大。
（4）接收机门限电平应小于-135dBm。
（5）连接被测天线和电缆时应使用N型或7/16型扭力扳手。保证接触可靠。
图11双极化天线连接示意图
（6）在工作频段内选择合适的频率f1和f2，使三阶互调产物2f1-f2或2f2-f1落在工作频段范围内。
（7）每路载波的功率都设置为20W/43dBm。
（8）从互调仪上直接读出三阶互调产物电平值。
参考资料
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