CN115219804A - 一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置及方法，所述装置包括矢量网络分析仪、多自由度转台、低噪声放大器、第一接收模块、第二接收模块、信号分配模块、本振源、发射源、交换机、计算机及I/O接口卡、耦合器、二维扫描架、极化旋转器、扫描探头、太赫兹天线、天线罩。本发明采用链路耦合的方式进行参考信号的采集，可提高参考信号的稳定性，保证相位的测量准确性。本发明采用极化旋转器的方式对近场电场分量进行采集，避免了旋转极化探头造成的定位误差，有利于提高测试精度。

Description

一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置及方法

技术领域

本发明涉及天线、天线罩电性能测试技术领域，具体涉及一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置。

背景技术

太赫兹波频率范围为100GHz～10THz，其波长在低频段与微波毫米波相重合，在高频段与红外线波段相重合，处于电子学与光子学的交叉区域，太赫兹通信具有信道容量大、分辨率高、定向性好的特点。太赫兹天线作为发射和接收电磁波的部件，它为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合，其电性能指标将显著影响太赫兹通信的能力。目前，太赫兹天线的测试方法主要有远场法、紧缩场法和近场法等。近场以其占地面积小、成本低等优点，得到了越来越多的研究。

此外，近场测量中需要采集两个正交分量的电场分量用于近远场的变换，常用的方法是正向或反向旋转扫描探头90°，但在太赫兹频段探头的直径较小，受制于旋转机构的定位精度和探头的加工精度，旋转过程中能引入额外的定位误差，造成测量不确定度增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置及方法，能够实现太赫兹参考信号的准确采集，从而保证性能数据的准确性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，包括矢量网络分析仪、多自由度转台、低噪声放大器、第一接收模块、第二接收模块、信号分配模块、本振源、发射源、交换机、计算机及I/O接口卡、耦合器、二维扫描架、极化旋转器、扫描探头、太赫兹天线、天线罩，其中：

太赫兹天线外部安装待测天线罩，天线罩和天线共同安装在多自由度转台上；太赫兹天线通过低噪声放大器、第二接收模块、信号分配模块连接矢量网络分析仪，本振源向信号分配模块提供本振信号，矢量网络分析仪和本振源通过BNC电缆连接；计算机通过交换机连接本振源和矢量网络分析仪，对矢量网络分析仪和本振源进行触发控制，并对矢量网络分析仪进行数据采集；

二维扫描架布置在太赫兹天线的正前方，为倒T型结构，包括X轴和Y轴；极化旋转器安装在扫描探头上，扫描探头安装在Y轴上；扫描探头通过耦合器连接倍频源模块以及第一接收模块，第一接收模块连接信号分配模块；计算机通过I/O接口板连接发射源，控制发射源通过倍频源模块、耦合器向扫描探头和第一接收模块输出太赫兹信号，扫描探头将所述太赫兹信号作为测试信号发射出去，通过太赫兹天线进行接收；

信号分配模块将本振源提供的本振信号进行倍频后，发送到第一接收模块和第二接收模块，第一接收模块将太赫兹信号作为参考信号与所述的本振信号进行混频和下变频处理后得到参考中频信号发送给信号分配模块，信号分配模块对中频信号进行放大处理后，发送给网络矢量分析仪；

太赫兹天线接收到的测试信号经过低噪声放大器进行信号放大后，通过第二接收模块与本振信号进行混频和下变频处理，得到测试中频信号发送给信号分配模块，信号分配模块对测试中频信号进行放大处理后，发送给网络矢量分析仪；网络矢量分析仪对测试中频信号和参考中频信号进行相参处理，得到水平分量电场和垂直分量电场输出给计算机。

进一步地，所述参考信号采用链路直接耦合的方式进行采集，信号路径依次为发射源、射频电缆、倍频源模块、耦合器、第一接收模块、信号分配模块、矢量网络分析仪、计算机。

进一步地，当需要测量太赫兹信号的水平分量电场时，扫描探头上无需加装极化旋转器，直接通过扫描探头发射测试信号；当需要测量太赫兹信号的垂直分量电场时，需要加装极化旋转器，极化旋转器用于将扫描探头发射出的测试信号极化旋转90°。

进一步地，太赫兹天线固定于天线座，天线座固定于多自由度转台的方位台面，并保证天线的旋转轴与方位台面的旋转轴重合。

进一步地，通过调整方位台面俯仰、上下、前后位置使得多自由度转台的俯仰轴与天线的俯仰轴重合。

进一步地，通过理论仿真或对扫描探头校准得到扫描探头的方向图补偿数据及极化旋转器的补偿数据，基于所述补偿数据以及网络矢量分析仪输出的水平分量电场和垂直分量电场，利用近远场变换算法得到天线和天线罩的远场方向图。

进一步地，通过比较天线和天线罩的远场方向图得到天线罩的电性能参数，包括功率传输效率、副瓣电平抬高、波束宽度变化等。

一种太赫兹天线的天线罩电性能近场测试方法，包括：

步骤1，扫描探头安装于二维扫描架的Y轴上，通过波导与耦合器、倍频源模块相连，倍频源通过射频电缆与发射源相连接，耦合器的耦合端通过波导与第一接收模块相连接，第一接收模块通过射频电缆与信号分配模块相连；

步骤2，扫描探头不安装极化旋转器；

步骤3，太赫兹天线安装于天线座上并保持与扫描探头的极化一致，天线座固定于多自由度转台的方位台面，保证天线的旋转轴与转台方位旋转轴重合，通过调整俯仰、上下、前后等不同轴系使得多自由度转台的俯仰轴与天线座俯仰轴重合；

步骤4，待测天线输出端通过波导与低噪声放大器、第二接收模块相连，第二接收模块通过射频电缆与信号分配模块相连；

步骤5，信号分配模块的参考信号通道与测试信号通道通过射频电缆与矢量网络分析仪的中频接收端口相连；

步骤6，根据方向图置信角、天线罩的高度计算并设置扫描探头在扫描架X轴的扫描范围；控制天线座使得测试角度为(α，β)，将转台方位运动至-α，调整多自由度转台使得天线口面与扫描探头口面平行；

步骤7，通过太赫兹天线对测试信号的水平分量电场E_x进行数据采集；

步骤8，探头安装极化旋转器，通过太赫兹天线对测试信号的垂直分量电场E_y进行数据采集；

步骤9，在太赫兹天线上安装待测天线罩，采集在有天线罩情况下的水平分量电场E_x和垂直分量电场E_y；

步骤10，对于非安装天线罩和安装天线罩两种情况，基于所述补偿数据以及网络矢量分析仪输出的水平分量电场和垂直分量电场，利用近远场变换算法分别得到天线和天线罩的远场方向图；

步骤11，通过比较天线和天线罩的远场方向图得到天线罩的电性能参数。

进一步地，X轴、Y轴的扫描步进小于1/2太赫兹波的波长；其中，扫描范围L的计算公式为：L＝2·h·tanθ+d，其中h为天线罩的高度，θ为方向图置信角，d为探头的横向尺寸。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

与现有测试方法相比，本发明采用链路耦合的方式进行参考信号的采集，可提高参考信号的稳定性，保证相位的测量准确性。本方法采用极化旋转器的方式对近场电场分量进行采集，避免了旋转极化探头造成的定位误差，有利于提高测试精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，包括矢量网络分析仪、多自由度转台、天线座、低噪声放大器、第一接收模块、第二接收模块、信号分配模块、本振源、发射源、交换机、计算机及I/O接口卡、耦合器、二维扫描架、极化旋转器、波导及射频电缆、扫描探头、太赫兹天线、天线罩，其中：

太赫兹天线外部安装待测天线罩，天线罩和天线共同安装在多自由度转台上；太赫兹天线通过低噪声放大器、第二接收模块、信号分配模块连接矢量网络分析仪，本振源向信号分配模块提供本振信号，矢量网络分析仪和本振源通过BNC电缆连接；计算机通过交换机连接本振源和矢量网络分析仪，对矢量网络分析仪和本振源进行触发控制，并对矢量网络分析仪进行数据采集。

二维扫描架布置在太赫兹天线的正前方，为倒T型结构，包括X轴和Y轴；极化旋转器安装在扫描探头上，扫描探头安装在Y轴上，Y轴能沿X轴运动；扫描探头通过耦合器连接倍频源模块以及第一接收模块，第一接收模块连接信号分配模块；计算机通过I/O接口板连接发射源，控制发射源通过倍频源模块、耦合器向扫描探头和第一接收模块输出太赫兹信号，扫描探头将所述太赫兹信号作为测试信号发射出去，通过太赫兹天线进行接收；

信号分配模块将本振源提供的本振信号进行倍频后，发送到第一接收模块和第二接收模块，第一接收模块将太赫兹信号作为参考信号与所述的本振信号进行混频和下变频处理后得到参考中频信号发送给信号分配模块，信号分配模块对中频信号进行放大处理后，发送给网络矢量分析仪；

太赫兹天线接收到的测试信号经过低噪声放大器进行信号放大后，通过第二接收模块与本振信号进行混频和下变频处理，得到测试中频信号发送给信号分配模块，信号分配模块对测试中频信号进行放大处理后，发送给网络矢量分析仪；网络矢量分析仪对测试中频信号和参考中频信号进行相参处理，得到水平分量电场和垂直分量电场输出给计算机。

本方案中，参考信号采用链路直接耦合的方式进行采集，信号路径依次为发射源、射频电缆、倍频源模块、耦合器、第一接收模块、信号分配模块、矢量网络分析仪、计算机。

本方案中，当需要测量太赫兹信号的水平分量电场时，扫描探头上无需加装极化旋转器，直接通过扫描探头发射测试信号；当需要测量太赫兹信号的垂直分量电场时，需要加装极化旋转器，极化旋转器用于将扫描探头发射出的测试信号极化旋转90°。

上述技术方案中，太赫兹天线固定于天线座，天线座固定于多自由度转台的方位台面，并保证天线的旋转轴与方位台面的旋转轴重合，通过调整方位台面俯仰、上下、前后位置使得多自由度转台的俯仰轴与天线的俯仰轴重合。

通过理论仿真或对扫描探头校准得到扫描探头的方向图补偿数据及极化旋转器的补偿数据，基于所述补偿数据以及网络矢量分析仪输出的水平分量电场和垂直分量电场，利用近远场变换算法得到天线和天线罩的远场方向图。

通过比较天线和天线罩的远场方向图得到天线罩的电性能参数，包括功率传输效率、副瓣电平抬高、波束宽度变化等。

在上述技术方案的基础上，本发明还提供了一种太赫兹天线的天线罩电性能近场测试方法，包括：

步骤1，扫描探头安装于二维扫描架的Y轴上，通过波导与耦合器、倍频源模块相连，倍频源通过射频电缆与发射源相连接，耦合器的耦合端通过波导与第一接收模块相连接，第一接收模块通过射频电缆与信号分配模块相连；

步骤2，扫描探头不安装极化旋转器；

步骤3，太赫兹天线安装于天线座上并保持与扫描探头的极化一致，天线座固定于多自由度转台的方位台面，保证天线的旋转轴与转台方位旋转轴重合，通过调整俯仰、上下、前后等不同轴系使得多自由度转台的俯仰轴与天线座俯仰轴重合；

步骤4，待测天线输出端通过波导与低噪声放大器、第二接收模块相连，第二接收模块通过射频电缆与信号分配模块相连；

步骤5，信号分配模块的参考信号通道与测试信号通道通过射频电缆与矢量网络分析仪的中频接收端口相连；

步骤6，根据方向图置信角、天线罩的高度计算并设置扫描探头在扫描架X轴的扫描范围，X轴、Y轴的扫描步进小于1/2波长；其中扫描范围L的计算公式为：L＝2·h·tanθ+d，其中h为天线罩的高度，θ为方向图置信角，d为探头的横向尺寸；

控制天线座使得测试角度为(α，β)，将转台方位运动至-α，调整多自由度转台使得天线口面与扫描探头口面平行；

步骤7，通过太赫兹天线对测试信号的水平分量电场E_x进行数据采集；

步骤8，探头安装极化旋转器，通过太赫兹天线对测试信号的垂直分量电场E_y进行数据采集；

步骤9，在太赫兹天线上安装待测天线罩，采集在有天线罩情况下的水平分量电场E_x和垂直分量电场E_y；

步骤10，对于非安装天线罩和安装天线罩两种情况，基于所述补偿数据以及网络矢量分析仪输出的水平分量电场和垂直分量电场，利用近远场变换算法分别得到天线和天线罩的远场方向图。

步骤11，通过比较天线和天线罩的远场方向图得到天线罩的电性能参数。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，其特种在于，包括矢量网络分析仪、多自由度转台、低噪声放大器、第一接收模块、第二接收模块、信号分配模块、本振源、发射源、交换机、计算机及I/O接口卡、耦合器、二维扫描架、极化旋转器、扫描探头、太赫兹天线、天线罩，其中：

太赫兹天线外部安装待测天线罩，天线罩和天线共同安装在多自由度转台上；太赫兹天线通过低噪声放大器、第二接收模块、信号分配模块连接矢量网络分析仪，本振源向信号分配模块提供本振信号，矢量网络分析仪和本振源通过BNC电缆连接；计算机通过交换机连接本振源和矢量网络分析仪，对矢量网络分析仪和本振源进行触发控制，并对矢量网络分析仪进行数据采集；

二维扫描架布置在太赫兹天线的正前方，为倒T型结构，包括X轴和Y轴；极化旋转器安装在扫描探头上，扫描探头安装在Y轴上；扫描探头通过耦合器连接倍频源模块以及第一接收模块，第一接收模块连接信号分配模块；计算机通过I/O接口板连接发射源，控制发射源通过倍频源模块、耦合器向扫描探头和第一接收模块输出太赫兹信号，扫描探头将所述太赫兹信号作为测试信号发射出去，通过太赫兹天线进行接收；

信号分配模块将本振源提供的本振信号进行倍频后，发送到第一接收模块和第二接收模块，第一接收模块将太赫兹信号作为参考信号与所述的本振信号进行混频和下变频处理后得到参考中频信号发送给信号分配模块，信号分配模块对中频信号进行放大处理后，发送给网络矢量分析仪；

太赫兹天线接收到的测试信号经过低噪声放大器进行信号放大后，通过第二接收模块与本振信号进行混频和下变频处理，得到测试中频信号发送给信号分配模块，信号分配模块对测试中频信号进行放大处理后，发送给网络矢量分析仪；网络矢量分析仪对测试中频信号和参考中频信号进行相参处理，得到水平分量电场和垂直分量电场输出给计算机。

2.根据权利要求1所述的太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，其特种在于，所述参考信号采用链路直接耦合的方式进行采集，信号路径依次为发射源、射频电缆、倍频源模块、耦合器、第一接收模块、信号分配模块、矢量网络分析仪、计算机。

3.根据权利要求1所述的太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，其特种在于，当需要测量太赫兹信号的水平分量电场时，扫描探头上无需加装极化旋转器，直接通过扫描探头发射测试信号；当需要测量太赫兹信号的垂直分量电场时，需要加装极化旋转器，极化旋转器用于将扫描探头发射出的测试信号极化旋转90°。

4.根据权利要求1所述的太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，其特种在于，太赫兹天线固定于天线座，天线座固定于多自由度转台的方位台面，并保证天线的旋转轴与方位台面的旋转轴重合。

5.根据权利要求1所述的太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，其特种在于，通过调整方位台面俯仰、上下、前后位置使得多自由度转台的俯仰轴与天线的俯仰轴重合。

6.根据权利要求1所述的太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，其特种在于，通过理论仿真或对扫描探头校准得到扫描探头的方向图补偿数据及极化旋转器的补偿数据，基于所述补偿数据以及网络矢量分析仪输出的水平分量电场和垂直分量电场，利用近远场变换算法得到天线和天线罩的远场方向图。

7.根据权利要求1所述的太赫兹天线和天线罩电性能近场测试装置，其特种在于，通过比较天线和天线罩的远场方向图得到天线罩的电性能参数，包括功率传输效率、副瓣电平抬高、波束宽度变化等。

8.一种太赫兹天线的天线罩电性能近场测试方法，其特征在于，包括：

步骤1，扫描探头安装于二维扫描架的Y轴上，通过波导与耦合器、倍频源模块相连，倍频源通过射频电缆与发射源相连接，耦合器的耦合端通过波导与第一接收模块相连接，第一接收模块通过射频电缆与信号分配模块相连；

步骤2，扫描探头不安装极化旋转器；

步骤3，太赫兹天线安装于天线座上并保持与扫描探头的极化一致，天线座固定于多自由度转台的方位台面，保证天线的旋转轴与转台方位旋转轴重合，通过调整俯仰、上下、前后等不同轴系使得多自由度转台的俯仰轴与天线座俯仰轴重合；

步骤4，待测天线输出端通过波导与低噪声放大器、第二接收模块相连，第二接收模块通过射频电缆与信号分配模块相连；

步骤5，信号分配模块的参考信号通道与测试信号通道通过射频电缆与矢量网络分析仪的中频接收端口相连；

步骤6，根据方向图置信角、天线罩的高度计算并设置扫描探头在扫描架X轴的扫描范围；控制天线座使得测试角度为(α，β)，将转台方位运动至-α，调整多自由度转台使得天线口面与扫描探头口面平行；

步骤7，通过太赫兹天线对测试信号的水平分量电场E_x进行数据采集；

步骤8，探头安装极化旋转器，通过太赫兹天线对测试信号的垂直分量电场E_y进行数据采集；

步骤9，在太赫兹天线上安装待测天线罩，采集在有天线罩情况下的水平分量电场E_x和垂直分量电场E_y；

步骤10，对于非安装天线罩和安装天线罩两种情况，基于所述补偿数据以及网络矢量分析仪输出的水平分量电场和垂直分量电场，利用近远场变换算法分别得到天线和天线罩的远场方向图；

步骤11，通过比较天线和天线罩的远场方向图得到天线罩的电性能参数。

9.根据权利要求8所述的太赫兹天线的天线罩电性能近场测试方法，其特征在于，X轴、Y轴的扫描步进小于1/2太赫兹波的波长；其中，扫描范围L的计算公式为：L＝2·h·tanθ+d，其中h为天线罩的高度，θ为方向图置信角，d为探头的横向尺寸。

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