有關(guān)天線測試的一些常見問題

平均增益，最大增益，極化效率是怎么回事？

左右旋分量，軸比，相角是什么東西？

測試距離與精度到底是什么關(guān)系？

吞吐量和TRPTIS和測試距離，通路損耗，有什么對應(yīng)關(guān)系？

多探頭，單探頭，平面近場，球面近場和緊縮場應(yīng)該怎么選？

帶著這些天線研發(fā)小伙伴的疑問，我們安排了一次技術(shù)專訪，專訪的對象是天津飛圖科技總經(jīng)理任祥順。任總從事射頻自動化工作已超過20年，是國內(nèi)首屈一指的天線測試專家之一。以下為根據(jù)錄音整理的文字記錄。

編：那好，那我們談一些別的吧，現(xiàn)在做路由器都要測試吞吐量，也要模擬測試距離，這個有什么換算關(guān)系嗎？
任：距離一倍6dB，就這么簡單。

編：具體說說？
任：比如你現(xiàn)在測試一個吞吐量，或者測試一個EIRP，空間距離3m測了一個值，那么測試距離拉遠(yuǎn)到6m會測到另一個值，這兩個值的強(qiáng)度差會有6dB。到12m會再加上6dB。換算回吞吐量就是每加6dB衰減，模擬測試距離加倍。EIRP測試就是測試距離加倍，空中損耗加大6dB，從頻譜儀看到的會小6dB補(bǔ)償回去EIRP不變。這只是理論上啊，實際上還要受到周圍環(huán)境影響，外太空里面是這個樣子的。

編：距離一倍不是3dB嗎？怎么是6dB呢？
任：去上網(wǎng)查一下弗里斯傳輸公式就行啦。具體到距離和強(qiáng)度的關(guān)系可以這么想啊，有一個水庫往外放魚，射線狀的放魚，你用一個網(wǎng)去撈魚，撈到不少，那么你現(xiàn)在加倍距離，就需要四倍大小的網(wǎng)去撈魚才能撈的一樣多對吧。這個四倍的大小就是6dB。這個和那個球面積分，還有閉合球形空間積分一樣道理。

編：那吞吐量和TRPTIS有什么關(guān)系？
任：有一定的關(guān)系，我也不是WiFi開發(fā)的專家，我只是知道什么說什么啊，吞吐量這個東西，如果不斷地加衰減可以看到從0衰減一直加到一定程度才會有下降的趨勢，然后直到完全斷掉，相當(dāng)于放到很遠(yuǎn)處聯(lián)系不到了。在距離近的時候是感受不到的，以前試過把路由器天線拔掉靠近了也能連上WiFi，很神奇，我也不明白從哪發(fā)射出來的。搞好TRPTIS對有一定距離的條件下的通訊有幫助的。其實很多通訊系統(tǒng)都是這樣，天線研發(fā)的好壞主要在信號差的時候才能看出來，叫什么來著，困難時刻顯身手啊。以前華強(qiáng)北的老板把手機(jī)放進(jìn)保險柜能打通電話就行，簡單粗暴但是很有效的。

編：我們談了這么多天線的參數(shù)，那么想選擇測試場地該怎么選呢？
任：這個要看我們的測試需求是什么，魚與熊掌不能兼得，都是要看投入產(chǎn)出比的，比如搞有源測試的，弄多探頭可以測試很快，就弄這個。比如搞小天線研發(fā)，做什么膠棒天線，導(dǎo)航天線什么的，弄個單探頭測測就挺好，如果是做大的天線的，那就得考慮大的暗室，或者耗時的近場測試，或者干脆樓頂搞一個。如果是開發(fā)汽車天線的，就得考慮是弄個開車進(jìn)去的，還是室外臨時場地近場測試，這只是針對常用的民品天線的開發(fā)場地選擇，如果頻率擴(kuò)展到C波段以上，就是8G以上的頻率的話，毫米波通訊，軍品和汽車?yán)走_(dá)等就又是五花八門了，因為那個遠(yuǎn)場測試距離公式的存在，對這種波長短的頻段的測試，往往達(dá)不到理想的測試距離，就要求用其他的技術(shù)手段適應(yīng)新的要求了。

編：哪些技術(shù)手段呢？我沒接觸過這些。
任：比如平面近場，球面近場，緊縮場，PWC，透鏡場什么的。

編：有什么區(qū)別嗎？
任：近場就是占用場地小，靜區(qū)好，可以室內(nèi)測試。但是時間太長了，很多時候我們只關(guān)心幾個特殊切面的信息比如水平切面的增益，增益指向角，波束寬度，副瓣什么的。但是為了得到這幾個切面的信息就需要測量整個平面或者整個球面的數(shù)據(jù)。比如基站天線測試就關(guān)心水平切面和垂直切面，放到多探頭近場里必須得測試3D數(shù)據(jù)，但是遠(yuǎn)場只需要轉(zhuǎn)兩圈就行了。導(dǎo)致最終測試時間相差無幾。

編：那另外幾個是什么？
任：緊縮場就是用反射面將球面波轉(zhuǎn)換成近似平面波，PWC就是用類似相控陣的方法用大面積的輻射單元發(fā)射平面波，透鏡類似望遠(yuǎn)鏡那種也是可以將球面波轉(zhuǎn)換為平面波。

編：透鏡是什么東西？
任：龍伯透鏡聽說過吧？就是類似這種東西，我們也做過相關(guān)的研究，可能是我們的材料的原因，不同頻率的相位中心不一樣，我們又搞不出對應(yīng)的根據(jù)頻率前后移動的饋源后來這個預(yù)研就失敗了，其實這玩意還是挺好用的，省錢啊而且測試速度很快，但是就是因為這個相位中心問題導(dǎo)致沒法掃頻測試，等有空了繼續(xù)搞吧。

編：PWC呢？
任：平面波轉(zhuǎn)換，這個東西問題就是頻帶做寬不容易，配相不容易，如果每一個單元都搞移相器那成本受不了，到現(xiàn)在只見過RS推過一種，其他公司沒見到過，我也很少參加展會，不知道最新的技術(shù)到什么地步了。

編：配相是什么？
任：配相很重要的啊，對于所有相控陣天線研發(fā)都需要的，簡單說就是要讓相控陣的所有陣元的輻射特性都一模一樣，有用遠(yuǎn)場配的，有用平面近場直接配的，還有測完近場反演口徑場配的，各村都有各村的高招啊。

編：配的是相位嗎？
任：幅度和相位，就相當(dāng)于是陣列天線的陣元校準(zhǔn)，比如我們一般用平面近場探頭對準(zhǔn)每一個陣元，然后控制相控陣天線打開這個陣元的發(fā)射或者接收，去用網(wǎng)分測試幅度和相位，弄完一張表輸回天線就行，有的還需要再來一遍看看是否校準(zhǔn)后對不對。把這個搞定了后，相控陣的其他的控制就是純軟件問題了。要不然有可能都是亂的。

編：那就是所有的陣列天線都得校準(zhǔn)是嗎？
任：那可不一定。比如汽車?yán)走_(dá)的天線，基本都是出了芯片后直接進(jìn)PCB天線了，或者毫米波那種直接進(jìn)天線模塊了，里面的微帶什么玩意的長度啊阻抗啊什么的都設(shè)計好了，只要SMT沒問題就直接干了對吧。還有那些頻掃天線看起來是陣列也不需要校準(zhǔn)，還有那種最老的軍艦上的一個平放的圓筒沒完沒了的轉(zhuǎn)圈，還有機(jī)場上面那種轉(zhuǎn)圈的，那個也是陣列天線，但是是機(jī)掃，都不需要配相校準(zhǔn)的。

編：那陣列天線分幾種啊？
任：這東西很多分法，從我角度看就是相掃，頻掃和機(jī)掃，有的是結(jié)合，比如最新的那個Starlink的地面站就是相掃和機(jī)掃的結(jié)合。

編：我們經(jīng)常聽到相控陣，這個機(jī)掃也能理解，頻掃是什么東西？
任：這個我見的也不多，但是確實測過。我也不知道天線背后的設(shè)計原理，反正就是設(shè)計出來后，一個無源的天線，一根棍子一樣，隨著頻率的變化，主瓣的指向也在變化，比如啊，我瞎說一個頻率，X波段的，10-11G，10G這個頻點水平面波束指向左邊40度，到了10.5G就是指向0度，到了11G就變成了向右邊指40度。你看增益指向角與頻率的變化圖可以看到是一個斜線。具體有什么用處靠想象吧。

編：那這些場地要怎么選呢？
任：如果是高增益天線，很窄波束的，平面近場是首選，因為速度可以忍受同時精度很高。但是平面近場做低增益天線就不太適合。一般選擇場地要根據(jù)待測天線大小，測試頻率，測試要求去決定到底選用什么樣的測試場地。

編：那這些近場轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)場是怎么算的呢？
任：這個有點復(fù)雜，像平面近場是截取一個平面上的有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行平面波譜展開，還要加上探頭補(bǔ)償最后在遠(yuǎn)場重新FFT。如果是球面近場，就是采樣一個封閉球面的矢量數(shù)據(jù)展開然后去映射，什么漢開爾函數(shù)，勒讓德變換一系列亂七八糟的再合成FFT。這個網(wǎng)上很多的論文談這個什么快速算法的，有一定的微波理論基礎(chǔ)的人都能自己搞的。

編：回到我們剛才那個場地，緊縮場有什么特點？
任：我特別喜歡用緊縮場，測試速度快啊。

編：除了測試速度快呢？
任：好像也就這個，但是對我來說，搞一個緊縮場的場地，只要通過靜區(qū)驗收，剩下的都是遠(yuǎn)場那套東西，現(xiàn)成的往上一懟就能干活了。很省事。當(dāng)然緊縮場越往高頻越好弄。越往低頻越不好弄。我們最低的緊縮場只能到3G，再往低處相位很難搞了，并且尖刺也不好做，卷邊的更別想。

編：怎么驗證這個緊縮場的靜區(qū)？
任：我們的做法是面對緊縮場搞一個掃描架，然后XYZ的三維掃描，理想的測試場的場地是這樣的，假定把暗室縱軸定義為Z，那么靜區(qū)內(nèi)應(yīng)該任意Z處的XY平面內(nèi)幅度相等相位相等。任意X處的YZ平面或者任意Y處的XZ平面幅度相等相位按頻率正弦波分布。這是理想場地，但是實際上饋源能做到相位中心穩(wěn)定但是幅度一定不穩(wěn)定。最終XY平面內(nèi)會有幅度的變化，我們叫幅度錐削。這個當(dāng)然越小越好。

編：您一直在說相位，這個有什么用？
任：嗨，不瞞你說，我上手矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀后三年才知道里面能測相位和時延，嘿嘿。

編：妥妥的黑歷史。
任：是啊，最開始就是測幅度搞增益，哪里知道還能測相位這么個玩意，不過這都是個學(xué)習(xí)的過程，領(lǐng)導(dǎo)和客戶交給我們的任務(wù)有時候是有挑戰(zhàn)性的，就需要我們在這個過程中不斷的去學(xué)習(xí)，都是從小鳥長到老鳥的，如果不能持續(xù)學(xué)習(xí)那就被淘汰了。那個遠(yuǎn)場的公式實際上是八分之派的相位差反推的。至于為什么用八分之派我不知道，老先生們規(guī)定的，我沒有深究過。我們作為工程師實現(xiàn)指標(biāo)是第一位的，我不具備搞研究的深究的科學(xué)態(tài)度，所以一直混在行業(yè)內(nèi)做產(chǎn)品，沒法有論文發(fā)表。

編：好的，謝謝任總的分享，今天占用太多時間，非常感謝。
任：哪里，跟您交流也很開心，也很感謝有這個機(jī)會分享。謝謝。

編輯：黃飛

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