【導(dǎo)讀】各種尺寸、軌道和頻率的衛(wèi)星越來越多地使用相控陣天線和數(shù)字波束形成技術(shù)，以化接收和傳輸?shù)妮椛浞较驁D。確定傳入信號的到達(dá)方向可提高接收信號強(qiáng)度，并降低衰落、干擾和旁瓣電平，從而提高高吞吐量有效載荷的容量。還實(shí)現(xiàn)了更高的空間分集、更好的頻率復(fù)用和更的用戶定位。
為了提供下一代衛(wèi)星應(yīng)用，航天器越來越多地使用相控陣來組合多個(gè)單獨(dú)的天線元件，以提高整體性能、增加增益、消除干擾并控制陣列，使其在特定方向上靈敏。這允許運(yùn)營商更改和優(yōu)化接收和傳輸，以實(shí)時(shí)響應(yīng)不斷變化的鏈路要求。
各種尺寸、軌道和頻率的衛(wèi)星越來越多地使用相控陣天線和數(shù)字波束形成技術(shù)，以化接收和傳輸?shù)妮椛浞较驁D。確定傳入信號的到達(dá)方向可提高接收信號強(qiáng)度，并降低衰落、干擾和旁瓣電平，從而提高高吞吐量有效載荷的容量。還實(shí)現(xiàn)了更高的空間分集、更好的頻率復(fù)用和更的用戶定位。
在開發(fā)高通量衛(wèi)星時(shí)，相控陣天線會(huì)在航天器開發(fā)的所有階段進(jìn)行測試：從初始原型制作 (EM) 階段的單個(gè)元件和完整陣列的性能表征，到與主要有效載荷集成時(shí)。隨后在鑒定 (EQM) 階段使用熱真空室在代表性環(huán)境中對整個(gè)航天器進(jìn)行驗(yàn)證。在整個(gè)操作過程中，定期對傳輸鏈路進(jìn)行在軌檢查以監(jiān)測和確認(rèn)服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，并通過使用波束成形技術(shù)動(dòng)態(tài)更改和優(yōu)化天線的輻射方向圖以響應(yīng)不斷變化的鏈路要求進(jìn)行接收和傳輸。
相控陣天線在具有特定增益、視軸（增益軸）、效率、阻抗、極化和旁瓣電平的特定頻率范圍內(nèi)接收和傳輸指定帶寬的信息。天線在特定方向輻射 3D 場，所有這些參數(shù)都必須進(jìn)行測試和表征。每個(gè)元件都包含一個(gè)發(fā)射/接收模塊，如下圖所示，測試需要接收、傳輸和雙向測量。
圖 1相控陣天線發(fā)射/接收模塊
衛(wèi)星制造商面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是如何在航天器開發(fā)的所有階段準(zhǔn)確地測試處于接收模式的相控陣天線。在無線 (OTA) 測量之前，需要測試各個(gè)元件中的每個(gè)低噪聲放大器 (LNA)。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 或 CW 信號源和頻譜分析儀可以表征增益、噪聲系數(shù)、壓縮和互調(diào)失真。單個(gè) VNA 無需重新連接即可表征上述指標(biāo)。
對于 OTA 測試，關(guān)鍵測量是接收功率電平和各個(gè)元件之間的相位差，以確定到達(dá)方向。ZNBT或ZVA等多通道 VNA可用于執(zhí)行此類測試，如下圖所示。被測接收天線 (AUT) 連接到 VNA，在發(fā)射端，喇叭天線正在廣播已知的 CW 信號。
圖 2在接收模式下測試相控陣天線的測量設(shè)置
衛(wèi)星制造商面臨的第二個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何在發(fā)射模式下準(zhǔn)確測試相控陣天線。在進(jìn)行 OTA 測量之前，需要測試各個(gè)元件中的每個(gè)功率放大器。使用 VNA 或 CW 信號源和頻譜分析儀表征增益、噪聲系數(shù)、壓縮和互調(diào)失真。對于 OTA 測試，關(guān)鍵測量是有效輻射功率 (ERP) 和脈沖形狀。
多通道相位相干信號用于驅(qū)動(dòng)相控陣 AUT，頻譜分析儀連接到參考喇叭天線以測量接收輻射方向圖以及旁瓣減少和調(diào)零的水平，如下所示。
當(dāng)被測天線傳輸?shù)?CW 測試信號被調(diào)制載波取代時(shí)，信號分析儀用于測量和誤差矢量幅度 (EVM) 和誤碼率 (BER) 等指標(biāo)。
圖 3在發(fā)射模式下測試相控陣天線的測量設(shè)置
衛(wèi)星制造商關(guān)心的一個(gè)問題是如何可靠地產(chǎn)生多個(gè)相位相干輸出來測試天線。隨著時(shí)間的推移，一致性在信號發(fā)生器之間保持固定的、定義的、相對相位關(guān)系，并且存在許多方法來穩(wěn)定載波的相對相位，例如 10 MHz 或 1 GHz 參考的耦合，或公共本地振蕩器 (LO) 連接. 由于組件漂移、溫度差異以及各個(gè)信號發(fā)生器的相位噪聲在時(shí)間上不相關(guān)的事實(shí)，前兩種技術(shù)都無法提供足夠的長期穩(wěn)定性，如下圖所示。
LO 相位相干選項(xiàng)可用于確保多個(gè)儀器之間的穩(wěn)定相對相位。這不適用于模擬信號發(fā)生器，因?yàn)樗鼈儫o法為具有 LO 耦合的每個(gè) RF 載波設(shè)置單獨(dú)的相位。
圖 4 10 MHz、1 GHz 和 LO 耦合以生成多個(gè)相位相干信號
OEM 努力測量傳輸輻射模式與頻率的關(guān)系。為支持此測試，可使用軟件命令外部信號發(fā)生器輸出多達(dá)四個(gè)相位相干信號，用于電子波束形成和轉(zhuǎn)向。使用該軟件，可以繪制天線輻射方向圖的終二維方位角。可在此處的運(yùn)行時(shí) Matlab 可執(zhí)行文件。
圖 5相控陣輻射方向圖的二維測量
（來源：中電網(wǎng)）
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