天线测量已经发展了许多年，将来它们仍将继续演变。当选择高科技行业时，我们必须接受的事实是：我们需要随着技术进步而不断变革，新技术带来了更好、更快、更准确的测量功能。为在这个行业中保持竞争力，我们需要随着技术发展而不断演变和变革，否则就会落后。在20世纪80年代前，天线测试工程师使用专用微波接收机进行天线测试。到1985年，某些公司开始使用网络分析仪作为天线测试应用的接收机。新技术给仪器带来了更高的稳定性、精度和重复能力及可靠性，这种新技术的早期采用者把它应用到天线和RCS测量中。在1985年，使用网络分析仪作为天线接收机还是一种新颖的想法。采用网络分析仪技术进行天线/RCS测量的公司和个人是领先的创新者，其它公司和个人在几年之后才采用了这种技术。多年以后，由于许多天线测试设施采用了这种卓越的新型技术，网络分析仪演变成天线/RCS测量专用的微波接收机。

现在的行业中已经出现下一代网络分析仪，历史发展表明，天线测试界必需评估这一新技术。他们必需确定新技术能否在改善性能、精度和速度方面实现类似的好处，以便为天线测试界提供更好的价值。

本文考虑了安捷伦新型PNA系列网络分析仪在用于各种天线/RCS测量应用中时改善的生产效率。

影响天线/RCS测试的经济因素

目前影响天线测试专业人员的主要因素有两个：一个是技术因素，另一个是经济因素。在技术方面，天线设计人员面临着日益提高的对更高性能天线的需求，他们正在提供复杂度高得多的天线，以满足这些需求。天线测试专业人员面对日益复杂的天线技术，要求更多的测试数据，以全面检定这些更高性能的天线。

当前天线测试专业人员面临的第二个需求是经济因素。尽管天线变得越来越复杂，但我们发现自己面临的需求是在设计、开发和检验成品性能时，必需要在经济上保持竞争力。这些经济考虑因素涉及到产品开发周期和测试成本问题。产品开发周期影响到公司可以以多快的速度设计和开发新型天线。能够迅速开发新型天线的公司更可能赢得天线合同，保证公司未来的生存能力。测试成本直接影响着制造和生产天线的成本。缩短测试时间可以降低测试成本，进而降低制造成本，提高公司在成本方面的竞争力。公司的未来生存取决于其能否降低产品成本，同时仍保持非常优质的产品。这通常要求采集和分析大量的测量性能数据。成功的公司必需能够解决构建现代高性能天线中的技术挑战，同时能够以经济的、极具竞争力的方式来开发和生产优质天线。因此。天线测试专业人员通常面临着两难境地，与过去相比，他们必须用更少的时间获得更多的测试数据。

新的网络分析仪系列

安捷伦新推出的PNA系列网络分析仪具有天线/RCS测试专业人员关注的许多新功能。为测试多通道天线，PNA 接收机具有四个内置测试接收机(A, B, R1, R2)，可以同时测量最多三条测试通道(或天线端口)。因此，PNA可以在一个数据采集周期中同时测量A/R1、B/R1和 R2/R1。对单脉冲天线，能够在一个数据采集周期中同时从三个测试端口中采集数据的功能，可以明显降低数据采集时间，而且不需要外部PIN开关。PNA具有一种“反向扫频”的新功能，这种功能特别适合近场测量。另外，PNA具有一种用途非常广泛的任意扫描模式，允许用户以升序、降序或任意和随机跳频进行扫描。对近场应用，PNA可以在扫描仪移动的一个方向上从F1 扫描到Fn ，然后在扫描仪反方向移动时从Fn 扫描到F1。PNA的这种反向扫描功能允许在近场测量中进行双向扫描，这是一种重要功能，可以最大限度地降低数据采集和扫描时间。为缓冲和传送采集的数据，PNA具有最多16条通道，每条通道容量支持最多16,001个数据点。正常情况下，天线/RCS数据采集只需使用其中一条通道。对数据密集型采集，适合把数据从PNA快速传送到外部计算机上。通过在PNA的LAN端口上使用DCOM进行数据传送，可以在2 mS内传送最多1601个数据点，以及在121 mS内传送最多16,001个数据点。对近场采集，可以传送扫描中每个门阵点之后采集的数据，本文中的实例采用了这一程序。PNA中对近场应用非常有用的另一种功能是用户可以选择带宽。用户选择带宽，同时以降低测量灵敏度为代价，最大限度地降低数据采集时间。由于探头距AUT非常近，高测量灵敏度并不是最重要的因素，因此可以使用较宽的带宽，最大限度地降低数据采集时间。在本文中的近场实例中，分析仪的带宽已经设为35 KHz，以最大限度地降低数据采集时间。

近场天线测量

采用PNA网络分析仪的近场天线测量配置如图1所示。这一配置与采用8720 网络分析仪的近场测量系统类似。但是，新型PNA 网络分析仪具有多种新特点和新功能，能明显改善测量系统的生产效率。从配置中看到，AUT的三个测试端口将直接接到接收机，并同时进行测量。因此对单脉冲天线，可以从一个触发并在一个数据采集间隔同时测量全部三个测试端口。

图1 采用配备选项014的PAN的典型近场天线测量配置（略）

为演示PNA接收机的近场测量速度，有必要考察典型的测量方案。假设我们想使用三个测试端口(求和, 增量方位和增量上升)测试活动阵列单脉冲天线，在X频段内多个频率上测量同极响应。假设有256个活动波束状态，近场取样门阵要求100 x 100个样点。可以用下面的公式计算得出一个门阵点上采集的数据点数：(天线端口数) * (偏振数) * (波束状态数) * (频率数)。只要数据点数< 16,001点，就可以使用一条PNA通道，采集所有这些数据点，并把这些数据从PAN传送到外部计算机，接着扫描仪将到达下一个门阵点。本文中的所有近场实例都采用这一程序。

对PNA测量时间的计算公式不象85301B/C系统这样简明。PNA进行近场数据采集的时间由采集时间、频率切换时间、回扫时间和分析仪开销时间组成。实际测量方案在PNA上设置，然后衡量测量时间，而不是试图为确定测量速度编制一个公式。这种方法在各种测量方案中为PNA提供了实际测量时间。由于各种不同用户的实际测量方案在本文中提供的不同实例之间有所变化，因此我们提供了每个数据点的平均数据采集时间，对可能希望估算特定测量方案采集时间的用户，可以作为参考使用。

表1概括了通过PNA 网络分析仪在各种近场测量方案中实现的数据采集时间。从不同测量方案中首先注意到的是在测量的复杂程度提高时，测量时间也会提高，与预计的情况相符。PNA的数据采集时间从简单测量的17分钟，直到62种频率非常复杂测量的7.7个小时。通过针对测量方案设置PNA，测量测试数据使用的时间，然后把测量时间除以数据点数，可以计算得出每个数据点的平均数据采集时间。例如，对由3个天线测试端口、1个偏振、64种波束状态和5种频率组成的测量方案，每个近场门阵点(3*1*64*5) = 960个数据点。PNA可以在73 mS内测量这960个数据点，因此可以计算得出每个数据点的平均数据采集时间：73 mS/960 = 76 uS。下表表明了在测量复杂程度提高时(主要是测试频率数量提高)，每个数据点的平均数据采集时间也会提高。这些平均数据采集时间可以用来估算类似测量方案的近似数据采集时间。

表1：近场天线测量方案（略）

图中还显示了采用8530A微波接收机的85301B/C天线测量系统的相应测量时间。这提供了与已知测量系统的比较点，在所示的实例中，PNA的速度是85301B/C测量系统的二到五倍。这将明显增强任何近场天线量程的生产效率。

应该指出的是，对只测量一个频率的基本近场天线测量，最大探测速度通常决定着总测量时间。所以，PNA的数据采集速度提高，不会降低总测量时间。但是，如果预计近场量程将测试比较复杂的天线，那么采用PNA接收机将是近场量程内很好的一项资本投资。

远场天线测量

如前所述，采用PNA接收机的远场天线测量系统与85301B/C非常类似。为计算85301B/C 和 PNA的单个角递增测量时间，可以使用下面的公式：
((R*C*P+ABD)*BP+S)*F，其中：

R = 接收机数据采集时间

C = 要测量的数据通道数 (3个天线测试端口)

P = 要测量的偏振状态数量

ABD = 额外的波束驻留时间 (如果要求)

BP = 电子波束位置数量

S = 信号源稳定时间

F = 要测量的频率数量

一旦确定了角递增采集时间，那么可以通过简单的计算，确定总AUT测量时间，及检查定位器的速度。

远场应用要求对每个天线测试端口触发接收机，除非能够从每个天线测试端口把微波测试信号直接连接到PNA的三个接收机输入通道上。一般来说，有两个因素会限制远场测量中可以实现的测量速度：一个是远程信号源的频率捷变性；第二个是定位器可以旋转的最大速度。PSG信号源通过PNA远程操作，具有4-6 mS的频率切换速度。85301B/C天线测量系统采用8360合成器，具有6-8 mS的频率切换速度。在远程应用中使用PNA接收机时，我们没有看到总测量时间有明显改善，因为PNA系统和85301B/C系统使用的远程信号源的频率捷变性相对较慢，其通常要占总测量时间的绝大部分。定位器速度是限制测量速度的第二个因素。对简单的远场测试方案，85301B/C和基于PNA的测量系统的速度要比天线定位器旋转的最大速度快得多。因此，测量仪器的最大定位器速度将决定总测量时间，而不是数据采集速度由于这两个因素，PNA接收机在远场应用中通常不能明显改善总测量时间。

表2说明了多个不同的远场测量方案。可以看出，对复杂程度较低的测量，由于定位器速度限制着数据采集速率，因此总测量时间没有多大差异。在测量方案变得更加复杂时，由于采用多个电子波束位置和多个频率，因此在总测量时间方面，使用PNA接收机较85301B/C 系统有所改善。在远场测量方案变得更加复杂时，通常是测试频率数量大于10时，定位器的最小速度能力开始限制总数据采集时间。定位器通常以连续速度运行，但在这一速度下降，以适应角样点之间的所有数据速率时，定位器到达不能再以恒定速度旋转的速度。对大多数定位器，其最小速度约为每分钟0.1转。在数据采集要求变得非常密集，以致定位器速度必须降低到这一速度以下时，定位器必须以步进活动运行，因此定位器较慢的速度将决定总测试时间。对频率大于大约10个点的复杂的远场测量，速度更快的外部信号源将大大降低这一限制。

表2 使用PNA接收机测量全偏振矩阵的典型RCS测量配置（略）


雷达横截面测量

对雷达横截面测量 (RCS)，测试仪器的主要问题是灵敏度、频率捷变性和数据采集时间。PNA系列网络分析仪特别适合RCS应用。许多RCS量程已经在微波RCS接收机中采用8530A/8511或8720。之所以选择这些接收机，是因为它们能够以良好的灵敏度提供快速扫频功能。这些接收机中采用的谐波取样下变频技术提供了RCS应用所需的快速扫频捷变性，但其灵敏度不如基础谐波或低谐波外部混频下变频技术。采用外部混频器的85301B系统具有RCS测量应用所需的杰出灵敏度，但要求相对较慢的STEP扫频(而不是8530A/8511 系统中采用的RAMP扫描)及6-8 mS相关的速度较低的STEP频率捷变性速度。尽管谐波取样和外部混频系统都广泛用于RCS应用中，但测试工程师必须选择是为测量灵敏度优化的接收机下变频技术，还是为频率捷变性优化的接收机下变频技术。PNA具有杰出的测量灵敏度和快速数据采集速度，这两者对RCS应用都非常重要。PNA采用基于混频器的下变频技术，提供了杰出的测量灵敏度。通过把信号源和接收机都放在同一部仪器中，可以提供每个频率点119(1)uS 的超快速频率捷变速度。在新型PNA中，RCS专业人员不必再选择为灵敏度优化的接收机还是为测量速度优化的接收机，新型PNA在一部新仪器中同时提供了灵敏度、频率捷变性和快速数据采集速度。

表3：RCS全偏振矩阵测量时间(略)

图2是采用PNA分析仪的典型RCS测量配置图。注意其中使用两部PNA接收机同时测量垂直和水平返回成分。另外，PAN的内置传送开关把信号源切换到转换发送喇叭形天线的垂直输入或水平输入，而不需要外部PIN开关。

为说明通过PNA接收机可以降低的测量时间，我们需要看一个测量实例。RCS成像应用：其中采集全偏振矩阵数据。在这个实例中，假设向下量程分辨率为801个数据点，交叉量程采集为 30度，角增量为0.1度或0.25度。表3概括了PNA接收机对各种下变频量程和交叉量程分辨率的总数据采集时间。为进行比较，我们还包括了85301C和85301B测量系统的测量时间。从比较表中可以看出，PNA 接收机要比85301B/C系统快三倍。因此，PNA 接收机的数据采集速度要明显快得多，可以改善RCS测试量程中的生产效率。

PNA还有几种功能对RCS配置特别有用。每个测量轨迹提供了最多16,001个数据点，为RCS测量提供了极长的没有假信号的下变频量程分辨率；8530A具有最多801个数据点。可拆卸硬驱满足了通常与RCS测量有关的安全要求。事实证明，把信号源和接收机集成到同一部仪器中，对不同的频率范围有多部不同的PNA可供选择，在RCS应用中非常经济。

典型性能比较

表1-3概括了天线/RCS测量系统中使用的新型PNA接收机的性能。从测量时间比较表中可以看出，PNA提供的数据采集时间明显要快得多，缩短了检定天线或RCS目标的总测试时间。降低检测公司产品所需的时间可以为公司及天线/RCS量程运营商提供明显的经济效益。

其它测试量程配置

基本天线/RCS量程有许多不同的变通方案，由于篇幅有限，本文没有讨论所有配置和变通方案。本文中的实例提供了典型的配置和测量时间，可以引导测试专业人员设计自己的测量系统。实际测量时间和性能会因不同的测试方案和不同的天线或RCS配置而变化。

结论

本文演示了天线/RCS测量配置可以使用的新型网络分析仪。其中介绍了特别适合天线/RCS应用的独特的新型功能，并与8530A微波接收机进行了比较。本文演示了近场和RCS配置中PNA的典型配置图，另外演示了近场、远场和RCS测量使用的典型测试方案实例。我们使用测试方案实例测量了PNA的实际测量时间，然后与85301B/C 系统的测量时间进行比较，以说明通过PNA接收机改善的生产效率。本文中提供的信息可以用来指导天线测试专业人员设计自己的测量系统，满足其独特的要求。

结论非常明确：新型测量接收机提供了更快的测量速度、新的功能和增强特性，使得天线RCS量程更加高效。降低总测量时间可以给公司带来巨大的经济效益。它可以提高产品质量，加快产品开发周期，缩短开发时间，降低测试成本，提高产品竞争力，改善公司的经济效益。