使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量多波束天線

1.  引言

在微波無源器件調(diào)試過程中，我們常常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（以下簡稱矢網(wǎng)）測試器件的S參數(shù)，常分析的就是反射系數(shù)和傳輸系數(shù)幅度和相位。由于我們通常只會用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口，所以對于多端口微波器件的測量就會用到寬帶的匹配負(fù)載，也就是當(dāng)器件中的兩個端口與矢網(wǎng)的端口1和端口2連接之后，其余的所有的端口應(yīng)當(dāng)接上匹配負(fù)載，除非另做他用。

2.  平面Rotman透鏡的測量

圖1  平面Rotman透鏡的測量

采用矢網(wǎng)對該透鏡進(jìn)行測量時(shí)，輸入端口1~7依次與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1相連接，輸出端口8~17依次與矢網(wǎng)的端口2連接，且其余輸出端口連接同軸匹配負(fù)載。經(jīng)測量得到端口1~7輸入時(shí)端口8~17的輸出幅相數(shù)據(jù)，為了驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)方法的有效性，將實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果對比如下：

圖2  Rotman透鏡反射系數(shù)

圖3  端口1饋電時(shí)輸出幅相（10GHz）

圖4  端口4饋電時(shí)輸出幅相（10GHz）

結(jié)果分析：

1）從反射系數(shù)來看，仿真和測量結(jié)果有一定的差異，在9~11GHz的頻帶內(nèi)，反射系數(shù)都低于-10dB，阻抗帶寬較寬；

2）從幅相數(shù)據(jù)來看，低副瓣Rotman透鏡的實(shí)測的輸出幅度明顯低于仿真結(jié)果，當(dāng)端口1輸入時(shí)，實(shí)測與仿真的輸出相位差別也比較大；

3）實(shí)測幅相數(shù)據(jù)由于幅度不對稱，幅度椎削達(dá)不到要求，副瓣性能惡化較為嚴(yán)重，且輸出幅度較小，會降低天線陣列的增益。

分析以上結(jié)果可知實(shí)物測量得到的性能較差，主要原因是由于Rotman透鏡壓合帶來的加工誤差，從定位孔來看，有一定偏移，這樣會造成耦合縫有一定遮擋，影響耦合能量的大小，且會對相位造成影響。

3.  多波束天線的測量

圖5  10×10基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線

圖6  多波束縫隙陣列天線系統(tǒng)

將上述系統(tǒng)置于微波暗室中進(jìn)行遠(yuǎn)場測量，測量時(shí)矢網(wǎng)的端口1接上X波段的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，端口2通過長線纜接上遠(yuǎn)端的多波束天線，通過單片機(jī)控制不同的輸入端口形成指向不同的波束，測量結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出在9.8GHz、10GHz和10.2GHz時(shí)，輸入端口1～7分別饋電形成的波束指向分別為-31°、-21°、-11°、0°、11°、21°、31°，副瓣電平都在-10dB以下，隨頻率變化波束指向幾乎不發(fā)生的改變。邊緣波束（端口1）相對于中間波束（端口4）增益下降小于3dB左右，在實(shí)際的測量中，由于縫隙陣列天線中波導(dǎo)之間存在互耦，當(dāng)掃描角度增加時(shí)互耦增強(qiáng)，也會導(dǎo)致輸入阻抗失配，從而使增益下降。

圖7  多波束縫隙陣列天線實(shí)測E面方向圖

4. 總結(jié)

上述的微波器件或者天線系統(tǒng)都可以通過是德科技的矢網(wǎng)完成測量，測量過程中需要注意的是：在測量前要按照工作頻率對矢網(wǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，由于矢網(wǎng)剛啟動時(shí)溫度較低，需等待一段時(shí)間待噪聲穩(wěn)定之后再進(jìn)行測量。