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毫米波天线测量

Eravant, formerly Sage Millimeter Inc.

新兴毫米波无线网络必须利用空间复用技术以有效地实现日益增加的信息传输，并使用多个天线来补偿发射功率的不足和传播中功率的高耗损。因此系统设计对高性能的通讯系统更为重要。这就要求系统研发者具有OTA（空中）天线测试的能力。尽管天线测试有多种选择，采用不同的方法，但这些选择都会面对若干共同的挑战。幸运的是，毫米波天线测试方法的选择正日益增多。图1展示了MilliBox开发的一个配有三轴转台的用于毫米波天线测试的紧缩场天线测试系统（CATR）。

图1：毫米波天线测试系统。

天线测量需要有深厚的电磁理论基础和分析能力，同时也需要专门的测试设施和训练有素的操作人才。根据测量策略及其目标的不同，许多潜在的误差源可能导致测试结果错误。有时测量天线的峰值增益看似一项简单直接的任务，仅需合适的发射天线、精心校准过的参考天线、信号源、信号检波器和一个相对无干扰的暗室即可。如果加上一个转台，就可以完成天线方向图测量。这样，适度地投资设备、人员和培训就可以达成目的。然而，天线方向图测量的准确性可能因人而异。这一潜在的问题我们必须了解。

如果要准确地完成天线测量，测试人员需要扎实的电磁理论并对标准测量实践有全面深入的了解。当然，先进的测试设备和标准校准过程也是必不可少的。一些较为困难的测量任务包括交叉极化响应、低旁瓣水平和深零位的测量。交叉极化测量需要传输具有高极化纯度的信号或需要精确了解源极化的校正技术。目前一些顶级的天线测试装置在其测试信号中控制交叉极化度大约在-30或-40dB，这就会限制它们准确表征交叉极化响应的能力。测试环境的质量也限制了天线测量的动态范围。如果吸波暗室本身的反射损耗有限，那么对于-40dB、-50dB旁瓣水平或深零位的天线在测量时就变得难以实现或造成假旁瓣或低零位的错误结果。

与射频和微波天线测量相比，毫米波天线测量涉及的波长较短。因此，毫米波天线测试系统通常较小。在30GHz及以上频率，发射天线与接收天线之间所需的距离通常是几米或更短，这使得天线测试系统对总占地面积的需求比较合理。但是，在更短的波长下，屏蔽测试环境免受外部信号的干扰可能更具挑战性。许多毫米波暗室不使用反射屏蔽机制，而是依赖吸波材料。目前远场天线测试设施通常采用模块化结构来实现。图2显示了来自mmWave Test Solutions的模块化测试系统。

图2：模块化毫米波远场天线测试系统。资料来源：mmWave Test Solutions.

远场天线测量系统

天线测量系统大致可分为三类：远场、近场和紧缩场。远场测试通常设计简单、操作直接，更适合量产通信天线的测试。但缺点是占用空间大。远场测试通过源天线向待测天线（AUT）发射定向信号来获取天线响应。源天线通常采用低增益喇叭天线来方便地保证与被测天线的机械对准。另外，用扼流法兰馈电喇叭天线和波纹喇叭作为源天线的原因是它们的E面和H面方向图的对称性好、频响平坦度高、极化多样性和低交叉极化。其他常见的源天线还包括数倍频程的双脊和四脊喇叭天线。

现代毫米波远场天线测试系统通常采用自动矢量网络分析仪（VNA）来生成和接收测试信号。图3展示了一个典型的远场天线测试系统。它配备了VNA以支持手动和自动测量。VNA能够在宽动态范围内进行测试。使用参考天线可快速提供实测增益结果。VNA还能实时存储和显示测量数据，允许天线测试操作员验证测量结果是否正确。此外，VNA可以由计算机自动控制，通过向转台发送指令来选择天线位置。

图3：支持手动和自动测量的典型远场天线测量系统。资料来源：Diamond Microwave Chambers Ltd.

远场天线间最小间隔距离的“经验法则”是基于几何光学和最大相位误差π/8弧度来确定的。它规定最小距离为2D²/λ，其中λ是波长，D是AUT或源天线的最大尺寸。但还必须根据具体AUT来做调整。对于低增益天线，这个距离往往不够，因此建议最小距离为10个波长，以确保天线间的电感耦合可以忽略不计。如果距离太近，低旁瓣水平天线的真实旁瓣可能无法准确反映出来。在测量-50dB级别的旁瓣时，通常需要至少6D²/λ的间隔距离才能达到1dB的准确度。¹

最小间隔距离也可以根据天线增益来估算，使用天线的两倍有效孔径代替D²。有效孔径计算通常为λ²G/4π，因此最小间隔距离可以估算为λG/π，其中G是天线增益因子。例如，一个在30GHz工作的典型圆锥形喇叭天线，其孔径直径为64毫米，增益为23dBi（G=200）。应用2D²/λ公式得出的最小间隔距离为0.82米。λG/π近似结果显示最小距离为0.64米。

对于高增益天线，因远场测量的间隔距离可能太大而不能实现。例如，一个90GHz、增益为50dBi的卡塞格林天线可能需要100米或更远的间隔距离来满足准确的旁瓣测量。即使从发射天线到远场距离远远小于接收天线，高增益天线仍对接收波前的曲率敏感。这种敏感性要求按照接收天线的尺寸定义更大的间隔距离。

近场天线测量系统

高增益天线通常使用平面近场测试系统进行测试。在近场天线测试中，AUT辐射测试信号，同时探头扫描周围的电磁场。虽然近场测试系统可能比远场测试系统尺寸要小得多，但其设计和操作也更复杂。专为100GHz以上运行设计的近场测试系统目前仍相当罕见，但随着对更多测试选项的需求的增长，其也在不断发展中。

近场扫描的挑战之一是在探头移动时保持天线的电磁场分布不受干扰。探头天线通常具有小的截面并嵌入在吸波材料中以减少由其产生的反射。补偿探头对电磁场的响应是另一个需解决的难题。由于探头响应取决于信号的到达角度，其方向特性不能被忽略，否则会降低测量精度。虽然在平面和圆柱近场系统中没校正过的探头也可以使用，但由于探头响应的变化，测试结果的准确性则极为有限。而球形近场扫描器则保持探头与天线之间的恒定距离，这样在间隔距离足够时，探头校正并非总是必需的。

在毫米波频段执行近场测量时还有更多挑战。为了产生准确的远场天线方向图，每个测量点的探头位置必须精确到小于1/10波长，通常小于λ/20。激光测量系统通常需要用于初始校准和维护定位系统，探头位置必须足够可重复以确保测试系统随时间保持完整性。许多近场使用的旋转接头和柔性电缆也带来了重大挑战。如果通过这些组件的信号的幅度或相位受到影响，测量精度将受损。为解决这一问题，频率转换器常位于场探头附近。频率转换器在扫描过程中随探头移动，使得仅有下转换信号通过旋转接头和电缆。

一些近场扫描系统可在市场上购得，其中许多用于微波。在毫米波波段，根据其具体要求，某些系统可能会使用下变频器、适当的探头天线并且仔细控制探头位置。作为一个测量参考机构，NIST正致力于开发专门用于毫米波的近场天线测试系统。²他们的一个球形扫描系统能够在180GHz进行天线方向图测量，使用水平转盘承载AUT，使用机械臂抓握探头，其定位精度达到λ/60。该系统显示在图4中。

图4：NIST 180GHz球形近场扫描系统。资料来源：NIST。

与其他类型的天线测试系统相比，近场测试系统需要在其设计和建造中对设备和人员进行更大的投资。设计团队必须深入理解近场测量的理论基础，以及增强在计算编程、测试系统自动化、精密机器人技术和测量误差分析方面的能力。³尽管近场测量服务可从有限数量的测试设备获得，但它们的普及性可能严重不足。其主因是其纳入成本过高。

紧缩场天线测量系统

CATR已成为测试毫米波天线的一种实用且易于获取的替代方案。CATR背后的技术相对直接，对于毫米波工程师而言通常是无障碍的。如果已有暗室，对CATR进行升级所需的投资仅限于增加反射器和馈电结构。CATR系统并非适用于所有场景，但许多场景可以采用CATR系统来测量各种类型天线的关键性能指标。

CATR的设计涉及将整个抛物反射面放置在位于焦点的馈电天线的3dB波束宽度内。用于CATR的源天线通常是一个馈电喇叭，如图5所示。对AUT来说，来自馈电喇叭的球形波被反射器形成一个在静区（QZ）内近似平面波的波束。QZ通常由反射器前的圆形或椭圆形孔径以及从反射器算起的一系列距离定义。QZ对其孔径内的幅度和相位变化以及周围结构反射到QZ中的最大信号级别有明确的限制。⁴

图5：紧缩场设计概念。

CATR反射器的最低工作频率由其尺寸决定，而最高频率则受其机械精度和表面质量的限制。例如，由麻省理工学院林肯实验室构建的CATR反射器尺寸为10英尺×10英尺，中心面板的机械精度为±0.004英寸。⁵设计工作频率从400MHz到超过100GHz。较新的例子是一个锯齿状反射器，尺寸为11英尺×9英尺，预期QZ直径为6英尺，其仿真性能针对1至100GHz进行了优化。仿真反射器性能表明，要在100GHz时在QZ实现小于1dB的幅度波动，表面需要的RMS偏差小于0.001英寸。⁶

Eravant设计的台式CATR系统中有一台配备24英寸×24英寸的反射器，另一个配12英寸×12英寸反射器。较大的反射器用于18至110GHz，而另一个反射器为24至170GHz。两个反射器的馈电结构都可以接纳各频段VNA扩频器和相应频段的扼流法兰馈电喇叭。该系统采用MilliBox的GIM04-300型AUT三轴转台。大反射器的CATR系统的QZ尺寸为12英寸×12英寸，而较小反射器的QZ为6英寸x6英寸。

紧缩场反射器设计

CATR反射器的设计类似于偏置反射器天线的设计，其中一个馈电喇叭被放置在抛物面的焦点上，并倾斜，使得馈电的10dB波束宽度完全覆盖主反射器。抛物天线前的场区近似为TEM平面波，其幅度分布通常均匀，但孔径跨度的相位分布不一致。为了改善相位分布，调整反射器的焦距，使馈电的3dB波束宽度覆盖整个反射器表面。馈电通常是一个圆形扼流法兰喇叭，它提供了优秀的E面和H面波束对称性和低交叉极化响应。

由于折射波增多，反射器边缘的场强会增强。这个问题可采用将反射器边缘锯齿化或卷边来处理。以将边缘反射引导离开QZ。大型CATR反射器通常采用锯齿形边缘，而较小的反射器则倾向于采用卷边。卷边经常采用椭圆形轮廓。

反射器的初步设计验证是通过电磁仿真完成的。对于24英寸×24英寸的设计，仿真了18至110GHz范围内12英寸×12英寸QZ的幅度和相位变化。这一仿真结果显示在图6中。对于所有频率，仿真的幅度和相位变化极限约为±0.6dB和±4度。

图6：反射器和馈电喇叭在QZ上的振幅和相位变化。

加工完成后的反射器的QZ评估有时可采用场探头和扫描系统进行，类似于平面近场天线测试系统中使用的探头和扫描系统。因为这样的测试复杂且成本高昂，它们通常采用对成品反射器进行尺寸剖析，并按实际加工成品的机械尺寸，再使用电磁仿真来检测其实际性能。有时，也可用实测天线性能来验证测试系统的整体精度。图7中的结果就是一个实例。

图7：标准增益喇叭天线的测量和仿真辐射方向图。

结论

本文讨论了远场、近场和紧缩场测试系统的相对优缺点。由于建造这些测试系统的复杂性和所需投资差异很大，越来越多的公司正在将其现有的测试系统提供给天线测试项目租用。该服务可以用于大多数常用天线的测量。标准测量项目一般是增益和2D辐射方向图的测量。测试参数也可以自行定义，如频率点数和交叉极化等参数。特别是，Eravant的远场暗室，可使用同轴VNA从0.7到67GHz范围内进行连续天线性能测量。台式CATR使用波导VNA频率扩展器，支持从50到170GHz的天线测量。随着无线频率范围的不断扩大，天线测试变得必不可少。同时测量系统的技术和频率范围也必将继续迅速发展。

参考文献

1. A. D. Yaghjw, “An Overview of Near-Field Antenna Measurements,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 4, January 1986.

2. “Configurable Robotic MilliMeter-wave Antenna (CROMMA),” June 2016, Web: https://www.nist.gov/ctl/configurable-robotic-millimeter-wave-antenna-cromma.

3. IEEE Std 1720-2012, IEEE Recommended Practice for Near-Field Antenna Measurements.

4. IEEE Std 149-2021, IEEE Recommended Practice for Antenna Measurements.

5. J.R. Proctor, D.R. Smith, P.F. Martin, G.A. Somers, M.W. Shields and A.J. Fenn, “Compact Range Rolled Edge Reflector Design Fabrication Installation and Mechanical Qualification,” 26th Annual AMTA Symposium, 2004.

6. D.J. Wayne, J. McKenna, S.T. McBride, “Advancements in Achieving What is Asked of a Compact Range,” 35th Annual AMTA Symposium, 2013.