矢量网络分析仪的时域功能在天线测量中的应用

摘要:本文介绍利用矢网的时域功能在天线系统的驻波系数测量中，确定各反射点的位置和反射大小，以及在天线增益和方向图的测量中去掉周围环境的反射影响，使测量的结果更精确的方法。

ABSTRACT:

This paper introduce the method that confirm the position and the value of reflective point in the antenna VSWR measurement by using the VNA and it's time domain option, and remove the influence of the around environments in the antenna's gain and direction measurement to get accurate measure result.

关键词：矢量网络分析仪|0">矢量网络分析仪、时域技术、天线测量

KEY WORDS: VNA Time domain Antenna Measure

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