金羲宸
中电科思仪科技股份有限公司 ，青岛266500
【摘要】本文介绍了一套毫米波集成天线测试系统，该系统主要包括矢量网络分析仪、扩频模块、探针台、天线转台及控制器部分。该系统能够在远场条件下完成基于探针或波导馈电形式 8GHz～110GHz 频率范围内片上天线阻抗及辐射特性的测试。
【关键词】 片上天线测试系统 毫米波 矢量网络分析仪
1.引 言
近年来，无论是以高精度末制导、毫米波雷达为代表的军用领域，还是以5G通信、高速物联网等为代表的民用市场，均在向毫米波、宽频带、高集成、小型化方向发展。由于工作频率的提高，波长越来越短，相应器件的体积尺寸就可以更小,对于毫米波片上天线，传统的天线测试系统无法直接应用，一方面因为天线尺寸非常小，另一方面由于集成天线缺乏独立的接头可供测试设备直接连接，因此集成天线测试需要解决芯片的夹持、集成天线的馈电、天线不同方位幅相信息的收集等难题。因此，本系统采用通用化、模块化设计思想，以中电科思仪科技股份有限公司高性能矢量网络分析仪为核心，由频率扩展模块、高精度转台、片上天线馈电平台、微波暗箱等单元组成系统。系统具有方向图、副瓣电平、增益、轴比、驻波等多种参数测量功能，可用于片上天线、集成天线、封装天线等非常规馈电形式的微型天线的电性能参数的测试分析。
2.测试系统
测试原理如图1所示。在主控计算机的控制下，3672D矢量网络分析仪产生的微波信号通过发射端口送到毫米波S参数测试模块中，经倍频处理形成毫米波信号，并通过波导，毫米波探针，馈送到片上天线；毫米波接收模块放置在远端，并固定在转台上，毫米波接收模块利用固定其上的毫米波喇叭天线接收片上天线辐射出来的信号，经模块下变频到中频后，通过微波电缆及旋转关节经射频电缆最后送到矢网中频接收端，实现信号的接收，转台系统通过俯仰面旋转平台围绕片上天线旋转，旋转的过程中保持收发距离不变，通过测试片上天线不同俯仰角度的幅度、相位信息，即可完成方向图测试。
为了分别实现天线E面、H面方向图的测试，系统转台设计为四轴的形式。测试过程中，通过方位旋转平台进行0度和90度的角度改变，并相应调节接收模块及其上喇叭天线的极化方式，再利用俯仰方向的360度旋转，即可分别实现E面、H面方向图的测试，并可通过升降轴调整收发天线间的测试距离，完成近远场测试。
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系统采用最小光学分辨率可以达到2.1μm的电子显微镜，为探测调节提供足够的图像放大倍数。在探针馈电时，将显微镜移到探针的正上方，对探针馈电区域进行图像放大显示；完成探针探测后，为了不影响方向图测试，再把显微镜从天线上部移开。
2.1.系统测试动态范围分析
系统的动态范围是天线测试系统的重要技术指标，提高系统的动态范围对于测试低副瓣、低零深的天线具有至关重要的作用，尤其是毫米波阶段，随着频率的升高，信号的损耗会变得越来越大，大动态范围越来越难以实现。因此本系统在发射端和接收端分别采用了上变频和下变频装置，如图3所示，S参数测试模块对矢量网络分析仪的射频信号进行倍频处理，扩频到毫米波信号，再通过天线辐射出去。由于射频信号频率低（<20GHz），因此射频信号在电缆当中的损耗相比毫米波信号会小很多。在接收端，采用接收模块对接收的信号进行谐波混频处理，将输入的毫米波信号变为中频信号，再送到接收机进行接收处理。
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2.2.去嵌技术的片上天线增益标定
天线增益的测试方法大体可分为相同天线法和比较法两类。相同天线法需要收发天线性能一致，对于片上天线来说，由于片上天线馈源的特殊性，因此无法采用相同天线法进行片上天线增益测试，故只能采用比较法。
比较法的工作原理为：在发射端，发射天线将辐射源产生的特定频率和功率的微波毫米波信号辐射出去；在接收端，分别用待测天线和增益值已知的标准增益天线进行接收，对比两者接收到信号电平的差异，即可分析得到待测天线的增益大小。具体计算方法为：设利用标准增益喇叭天线接收得到的功率值为（dBm），利用待测天线接收得到的功率值为（dBm），标准增益喇叭天线的增益为（dBm），通过式（1）可得到待测天线的增益G（dBm）。
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3.结 束 语
天线测试系统作用主要是测试天线的性能参数，验证天线是否满足设计要求，对天线设计给出指导性的反馈。越高精度的测试系统越能准确的反映出待测天线的真实特性。本文介绍的中电科思仪科技股份有限公司生产的毫米波片上天线测试系统已在国内多家单位各自设计的毫米波片上天线测试中得到了应用，取得了满意的结果。