- 天線S參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
- 測試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)
- 測試系統(tǒng)的維護(hù)與校準(zhǔn)
在微波探測系統(tǒng)中，通常天線都是系統(tǒng)自動(dòng)控制環(huán)路的閉環(huán)點(diǎn)。天線作為一個(gè)收/發(fā)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣，將直接影響到全系統(tǒng)的檢測能力和探測精度。在實(shí)際使用中，對天線的電特性參數(shù)及組成部分 的各種微波裝置（如高頻電纜等）的散射參數(shù)，例如天線的匹配特性、天線阻抗、微波裝置的反射特性和傳輸特性參數(shù)等都要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。而要準(zhǔn)確的對天線及其組成部分微波裝置的參數(shù)進(jìn)行測試，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀無疑是最佳的途徑。由于篇幅有限，本文只探討網(wǎng)絡(luò)分析儀在天線S參數(shù)測試方面的應(yīng)用情況。
天線S參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)分析儀是用來刻劃有源和無源器件各種特性的，這些器件可以是單端口的，也可以是雙端口或多端口的。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量每個(gè)端口的輸入特性及一個(gè)端口到另一個(gè)端口的傳輸特性。
網(wǎng)絡(luò)分析儀，不管是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)都依賴二極管檢波技術(shù)（寬帶）或超外差接收技術(shù)（窄帶）。窄帶檢測適合于相位測量和評估頻率抑制器件如濾波器等。寬帶檢測更適合于測量頻率轉(zhuǎn)換器件如調(diào)諧器等的特性，特別是那些具有內(nèi)部本振的器件。
相對于二極管檢波，利用調(diào)諧接收機(jī)可以提供測量時(shí)的高接收靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)具有較好的諧波和寄生信號的抑制功能。但帶寬只有幾KHz的數(shù)量級。
本文應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩種設(shè)備，分別設(shè)計(jì)了兩種天線S參數(shù)的測試系統(tǒng)。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是功能最強(qiáng)大的一種網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以測量的頻率范圍為：5Hz－110GHz。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量電網(wǎng)絡(luò)完整的幅值特性和相位特性，包括：S-參數(shù)的幅值和相位、駐波比（ SWR）、 插入損耗、衰減、 群延遲、 回波損耗、 反射系數(shù)和增益壓縮。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般由合成掃頻信號源、兩個(gè)測試端口（含信號分離部件）、多通道、相位相干、高接收靈敏度的調(diào)諧接收機(jī)組成。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種高集成度的測量儀器，所需的外部配置較少，主要是各種校準(zhǔn)器，包括開路器、短路器、匹配負(fù)載、轉(zhuǎn)接電纜以及連接被測件所需的轉(zhuǎn)換裝置。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成
該測試系統(tǒng)由一臺(tái)37347D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及其相關(guān)的校準(zhǔn)組件構(gòu)成。主要包括：
a) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 37347D
b) 校準(zhǔn)箱 3650
開路器
短路器
a)3.5mm同軸校準(zhǔn)件
b)2cm波導(dǎo)校準(zhǔn)件
c) 時(shí)域功能 3700/A
d)下擴(kuò)頻 SM6164
e) 穩(wěn)相電纜： 3671a50－1
f) 各種轉(zhuǎn)換器\
g) 測試中必須的非標(biāo)零件
過渡波導(dǎo)
波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器
專用波導(dǎo)負(fù)載Ⅰ
專用波導(dǎo)負(fù)載Ⅱ
專用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換Ⅰ
專用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換Ⅱ
h) 產(chǎn)品支架
i) 吸波材料及支架
j) 打印機(jī)。
測試系統(tǒng)組成
測試系統(tǒng)中包含了部分非標(biāo)器件作為測量輔助設(shè)備，其作用是完成各非標(biāo)準(zhǔn)接口被測件非標(biāo)準(zhǔn)接口到標(biāo)準(zhǔn)接口的轉(zhuǎn)換，從而滿足與標(biāo)準(zhǔn)測試接口的連接。此外，還必須配置各種夾具及固定件等。為滿足天線的開場測試要求，必須配置吸波材料板和支架。
圖1 矢網(wǎng)系統(tǒng)的原理框圖
標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種性能價(jià)格比很高的網(wǎng)絡(luò)分析儀，通常用于生產(chǎn)線上檢測被測件的外部特性。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測量S參數(shù)的幅值，相應(yīng)的參數(shù)包括：傳輸增益（傳輸損耗）、回波損耗、駐波比（SWR）等。不同于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀沒有集成信號分離部件，所以標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀需要外配信號分離部件，如：功率分配器、方向耦合器、方向電橋。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也沒有類似矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的超外差調(diào)諧接收機(jī)，而是利用外部的二極管檢波方式。所以標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀需要外配檢波器。完整的測量系統(tǒng)還應(yīng)包括校準(zhǔn)件、連接電纜、衰減器、轉(zhuǎn)接器和連接被測件的各種轉(zhuǎn)換裝置。
標(biāo)網(wǎng)分系統(tǒng)的組成[page]
a) 合成掃頻信號源 MG3692A；
b) 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀 54147A；
c) 微波精密檢波器 560－7S50B；
d) 同軸功率分配器 K240B；
e) 波導(dǎo)高方向性定向耦合器 HD-180WC3/20；
f) 波導(dǎo)型環(huán)行器 HD-180CIC1/2；
g) SWR自動(dòng)測試器 560-98SF50-1 ；
h) 源電纜 NS120MF-6；
j) 電纜組件 85022At；
k) 3dB衰減器 41KB-3；
m) 各種校準(zhǔn)器
同軸短路/開路器 HD-180OSSJJ，
同軸負(fù)載 HD-CL1.15SJ 、HD-CL1.05SJ，
同軸精密負(fù)載 28SF50，
波導(dǎo)短路器 HD-180WS，
波導(dǎo)匹配負(fù)載 HD-180WL1.03 ；
n) 各種轉(zhuǎn)換器
同軸轉(zhuǎn)換器 K220B 、HD-3.5S50KJ、 HD-3.5S50KK 、HD-3.5S50JJ，
波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器 HD-180WESMAK/J、HD-180WSMAK/J；
p) 升降平臺(tái)式波導(dǎo)支架；
q) 吸波材料及支架；
r) 繪圖儀 DJ-500。
標(biāo)網(wǎng)分系統(tǒng)的組成框圖源
高方向性定向耦合器 高方向性定向耦合器
圖2 天線電特性參數(shù)測量系統(tǒng)框圖
實(shí)際配置圖
圖3 標(biāo)網(wǎng)測S參數(shù)的實(shí)際配置
測試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)
矢網(wǎng)分系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)
a) 頻率范圍：50MHz～20GHz；
b) 動(dòng)態(tài)范圍：105dB；
c) 頻率分辨率：1Hz；
d) 幅度分辨率：0.001dB/div；
e) 幅度準(zhǔn)確率：0.1dB；
f) 相位分辨率：0.01o/div；
g) 相位準(zhǔn)確度：0.5o。
標(biāo)網(wǎng)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)
a) 頻率范圍：10MHz～20GHz；
b) 動(dòng)態(tài)范圍：71dBm (+16dBm～-55dBm)；
c) 幅值測量誤差：±0.11dB；
d) 檢波器輸入（2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入，1個(gè)參考通道R）；
e) 顯示通道 （可以自選最多可達(dá)2通道彩色顯示）；
f) 測量點(diǎn)數(shù) 可以選值為101、201、401點(diǎn)；
g) 繪圖儀/打印機(jī)緩沖器；
h) 自適性歸一化處理。
被測產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)
a) 各通道輸出端的電壓駐波系數(shù)；
b) 波導(dǎo)管的電參數(shù)：
c) 電壓駐波系數(shù)
插入損耗
d) 通道損耗
e) 通道之間收發(fā)隔離度
說明：在該測試分系統(tǒng)中，為了順利、合理的完成天線各項(xiàng)指標(biāo)的測試，必須要配有滿足產(chǎn)品調(diào)試及足夠生產(chǎn)使用的各種非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，主要有波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器、波導(dǎo)負(fù)載、卡子等。波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器用于天線和測試系統(tǒng)的連接。在調(diào)試過程中，天線相關(guān)輸出波導(dǎo)口都需要有負(fù)載連接。另外，為滿足天線的開場測試，應(yīng)在天線的前方約±400立體角范圍，距離天線1～2米處張貼吸波材料，在 600范圍的材料的反射不大于-40dB，而且必須滿足防火要求。
測試系統(tǒng)的維護(hù)與校準(zhǔn)
測試系統(tǒng)的可維護(hù)性
本系統(tǒng)采用分立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同軸部件采用SMA接頭方式連接，波導(dǎo)部件采用波導(dǎo)夾連接，各支架及支撐座采用可調(diào)節(jié)式，操作簡單方便，便于安裝和拆卸。
測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)
為保證測試的準(zhǔn)確，在測試時(shí)，應(yīng)對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。本系統(tǒng)配置了滿足校準(zhǔn)要求的各種校準(zhǔn)部件，供測試時(shí)使用。此外，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀使用要求，應(yīng)定期到專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。時(shí)間為每年一次。
以上兩個(gè)測試系統(tǒng)已經(jīng)用于對實(shí)際產(chǎn)品的測試，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的測試系統(tǒng)三年前投入使用，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的測試系統(tǒng)去年投入使用。這兩種測試系統(tǒng)共計(jì)測試過5種天線、30種電纜及相關(guān)微波配件的電特性及S 參數(shù)，共計(jì)3000余件產(chǎn)品。通過對大量產(chǎn)品的測試表明，這兩種測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作方便完全能滿足產(chǎn)品測試的實(shí)際要求。
