天线设计工程师入门之：天线测量

天线测量的意义、任务、内容

1.意义：

促进对天线的认识和改造，给设计者正确的依据及导向作用。

在天线技术中许多理论上还不够成熟的课题，要完全依靠实验来解决。目前天线技术某些理论上还难以进行定量的分析，需要依赖大量的实验数据进行分析研究

2.任务：

测定和检测天线的相关参数的特性，解决天线问题。

3.内容：

测试仪器为手段，测量天线参数为目的。

常见天线测试系统图  
首先，了解下天线测试中常看到的几个单位：

1.dB：计量比值的一个单位，以10为底求对数。纯粹的比值，只表示两个量的相对大小关系，没有单位

     • 电压dB与功率dB的区别： 

2.dBm:求一个功率值和一个固定的参考功率之比的对数值。
      • dBw：以1w为基准功率。
      • dBm：以1mw为基准功率。
      • dBwv：以1mv为基准是电压。
      • dBuv：以1uv为基准是电压。

3.dBc=decibel relative to carrier 相对于在播的dB值。

在射频测量方面，谐波功率和载波功率的比值、杂散发射和载波功率的比值、天线的三阶互调指标均用dBc表示。
 
4.dBi和dBd
     • dBi=dB related to isotropic antenna
     • dBd=dB related to dipole
     dBd在天线测量中最常用，因为天线的增益测量一般是以标准偶极子为参考接收天线完成。天线厂给出的都是dBi。0dBi=-2.15dBd。   
再次，了解下天线测试的辐射区域              
天线测量的三个场区

Near field：感应近场区。最靠近天线的区域。该区域内，感应场分量占主导地位，电场与磁场的实际相差90°，电磁场的能量是振荡的，不产生辐射。对于电小尺寸的天线，感应场的外层通常用R<λ/2π。

Transition region：辐射近场区。场的分布与被测物和源天线的距离有关。即不同的距离计算出的天线辐射功率空间分布是有差别的。

Far field：远场区。天线实际使用的工作区域，该区域的幅度与离开天线的距离成反比，且场的分布与离天线的距离无关。对于电小天线，远场限定R<10λ。

实际使用中，尽可能避免收、发天线处在近场区，因为此时不但天线的方向图未定型，且近场范围内任何导体或介质物体均会被看为天线电磁边界条件的一部分，从而影响计算结果。  
 
再次，天线测量仪器设备有哪些？

1.频谱分析仪

它主要用于频域测量，可用于载波功率、谐波寄生、交调互调、信号边带等测量。它本身有很多的技术指标，但是在天线测量主要是因为它具有高灵敏度接收机使用、频段宽、动态范围大等特性，能测量在时域测量中不易得到的信息，另外还可以与计算机的各种借口，组成天线自动测量系统。最主要的原因也是因为与矢量网络分析仪相比价格相对便宜。
 
2.信号发生器

又称信号源，产生测量激励信号的装置。它的种类较多，对于天线的测量主要使用模拟信号发生器，要求能产生频率稳定、大功率的连续波信号。
 
3.网络分析仪

测量射频、微波和毫米波网络的特性，通过给予合适的激励源到被测网络并接收和处理网络的响应信号，计算和量化被测网络的网络参数。广泛应用于航空航天、卫星通信、导航等领域。尤其是天线和雷达反射截面的测量，大大促进了天线设计技术的提高。

它有矢网和标网之分。标网只能测试网络的幅度特性，即传输测量（功率、增益、损耗等）；反射测试可测电压驻波比、回拨损耗等。矢网比标网更为先进，除了标网能测试的参数还可测量相位和群延时特性，同时还具有频率覆盖范围宽、动态范围大、速度快、精度高等特点。
 
4.同轴连接器

又称转接头。主要特性要求：低SWR、回波损耗小、有均匀的特性阻抗、要求工作在射频时无高次模、多次接拆后有高度重复性和机械强度等。
  
5.传输线

又称馈线。连接天线和发射机（或接收机）输出（或输入）端的导体。主要任务是有效的传输信号能量。它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这就要求传输线必须具有良好的屏蔽和平衡，它不应改变天线的方向图特性。

6.放大器

为了确保测量所需的动态范围，在发射端壳配置功率放大器（PA），在接收端配置低噪声放大器(LNA)。如果系统中只配置LNA就能满足动态范围要求，就不需要加入PA。

7.转台及控制器

测试天线的方向图，是待测天线和参考天线之间做相对运动。

8.无线通信综合测试仪器

 主是是对使用相关通信协议的产品进行全功能测试。电子产品的主板及整机在研发、生产中需要在较短的时间内对其全面的指标进行测试，综合测试仪就是为应对这种需求而产生的。一般来讲，综合测试仪包含了频谱仪、频率计、功率计、误码失真仪、信号源、示波器等多种测量仪器的功能，采购用人工手动或程序自动测试一次性在最短的时间内完成全面指标的测试。
  
最后，讲下天线辐射特性测试方法
如何来描述天线转换电磁能量的大小，辐射性能的好坏？主要取决于应用环境和系统总体要求。

天线辐射特性测量方法分为远场和近场：
远场又称为直接测试，可分为室外场、室内场及紧缩场。

利用远场得到的远场数据不需要计算和后处理方向图。但是它有个缺陷，就是需要很长的距离才能测试天线的特性，所以大多数的远场都是在室外测试场地进行，因此也被成为自由空间测试场，主要的特点是容易受到外界的干扰和场地放射的影响。远场如果在暗室进行就被称为室内远场，可以起到保护作用以及能够避免外界电磁干扰等众多优势，但是所需要的空间很大，室内场的成本会很高。

室内远场需要的空间大，就可以在较小的空间内产生理想的平面波照射，根据这个原理，就产生了紧缩场，它在分类上属于远场测试场。

近场：天线的近场区的某一表面上采用一个特性已知的探头来取样场的幅度和相位特性，通过严格的数学变换而求得天线的远场辐射特性的技术。它的主要优点：所需场地小，可以在微波暗室内进行高精度的测量。测量的信息量大，通过在近场区的某一表面的取样可以精确地得出天线任意方向的远场幅度相位和极化特性。目前它已完全成熟应用于天线的工程测试，有时甚至是实现对天线测试的唯一解决方案。
 
传统的一些测试，已经无法满足对整机性能的评估。目前主要有两种方法对终端产品的整机辐射性能进行考察:
 一、天线的辐射性能，目前较为传统的天线测试方法：无源测试（整机的无源效率）
 二、特定的微波暗室测试，有源测试（TRP、TIS、Throughout）。

无源测试虽然考虑了整机环境（比如天线周围器件、材质等）对天线性能的影响，但天线与整机配合之后最终的辐射发射功率和接收灵敏度如何，从无源测试数据无法直接得知，测试数据不是很直观。

以天线为例，远距离传播的电磁波的场就是辐射场。它们的特点是场强与距离成反比，电和磁的分量虽然在波前是互相垂直的，但是在时间上是同相的，故辐射场传输的是实的功率。在距离天线若干波长后，辐射场是唯一需要考虑的场。但在靠近天线处，情况要复杂得多。在一个具有电感和电容的普通电路中，磁场（在时间上）与电场相差1/4周期。它们的强度以复杂的形式随着离开源的距离增加而降低，这就是感应场。感应场不传输实的功率，只有虚功率，电场直接随电荷变化，而磁场直接随电流变化。感应场与辐射场一起存在于天线的周围。但是当离天线的距离增加时，感应场就会迅速消失。在相当于波长除以2π或稍小于1/6 波长的距离处，辐射场和感应场的强度相等。
 
由于时间的限制，很多地方不够完善，后期将会针对性的进行复述。因水平有限，文中有疏漏和错误的地方，恳请批评指正。