毫米波与亚太赫兹天线测试

MilliBox, San Jose, Calif.

天线测试装置在无线系统的设计和优化中扮演着至关重要的角色。设计天线时，工程师通常首先使用电磁（EM）软件仿真器来优化天线的规格参数，如增益、效率、带宽、波束宽度和极化。天线制造完成后，必须进行空中（OTA）测试，以验证制造出的天线性能是否与其规格相匹配。

用于OTA认证的天线测试装置由一个电波暗室、一个天线定位器以及一个连接到仪器的探头组成，并通过软件记录测量结果，如图1所示。

图1：毫米波与亚太赫兹天线测试装置

毫米波天线测试的瓶颈

传统上，毫米波技术定义为30至300GHz的无线电频率。在这些毫米波和亚太赫兹频率下，短波长带来了若干影响。

首先，从MMIC（单片微波集成电路）到天线的信号走线若长度大于λ/10，则不可忽略或要视为集总元件。在较低频率下，天线可以在端口处与射频链路的其他部分隔离进行测量。然而，在毫米波段，MMIC和天线无法精确地独立测量，任何测试都需要进行辐射式的OTA测量。

其次，为了克服路径损耗，毫米波频率通常采用相控阵天线来增加增益和方向性。这些可以是固定的无源阵列，但通常是带有动态移相器的有源波束赋形相控阵，以控制辐射能量。在后一种情况下，天线不再是一个简单的器件，天线阵列的辐射方向图无法与系统其余部分隔离开来。

当大型工程团队设计此类复杂的无线系统时，几乎每一次设计迭代都会直接影响增益、辐射方向图和方向性。如果团队只有一个传统暗室或需要外送测试，设计进度就会陷入停滞。

解决毫米波和亚太赫兹频段的瓶颈

天线性能通常在远场进行表征。远场距离（d）是方向图变得相对均匀且场强按1/r衰减的边界。远场距离可以使用公式1计算，其中D是天线的直径，λ是波长。

例如，如果工程师有一个4×4天线阵列，天线间距为λ/2，则远场边界可计算为d=9λ，因为D是阵列中最远单元之间的距离。在28GHz时，这产生的远场边界为9.6厘米。在亚太赫兹范围内，这个距离甚至更短。

因此，对于大多数天线阵列来说，实验室工作台上的小型台式毫米波暗室就足够了。如果多个团队成员都能使用自己的天线测试装置，迭代工作就会变得更容易。共享一个资源无法与大量分配给团队的小型天线测试台相竞争。这时，小型、经济的毫米波和亚太赫兹性能OTA天线测试装置就成了解决方案。

紧凑型毫米波和亚太赫兹电波暗室

由于毫米波的波长很小，当阵列尺寸保持较小时，远场距离通常会减小。因此，系统的整体尺寸可以调整到1到2米的长度，并保持在远场。紧凑型暗室便于携带，比传统微波暗室更方便且成本更低。

在考虑毫米波和亚太赫兹等更高频率的要求时，隔离策略也会发生变化。较低频率的传输距离更长，更容易穿透障碍物，造成干扰。相比之下，对于毫米波和亚太赫兹频率，外部干扰极小。原因之一是这些频率的传播能力较低。此外，频谱非常宽，降低了意外干扰的机会。而且，由于更高的频率需要更高增益的定向天线才能传播得更远，内部杂散反射的机会显著增加。换句话说，在微波频率下，外部干扰的可能性高而内部反射的可能性低，而在毫米波和亚太赫兹频率下，情况正好相反——外部干扰的可能性低，但内部杂散反射要高得多。因此，MilliBox使用非金属外壳，因为它们减少了内部反射，并且引入的外部干扰风险极小。

用于辐射方向图测量的自动化定位器

当被测天线放置在定位器上时，可以从放置探头或馈电喇叭天线的远点测量发射功率。随着天线的旋转，捕获额外的点，创建出不同角度下功率水平的清晰图表，从而构成辐射方向图。

辐射方向图验证了天线是否在所需方向上传播其功率。复杂的天线，如喇叭天线和相控阵，是定向的，旨在向特定方向发射功率。对于这些测量，3D定位器变得不可或缺。

3D天线定位器具有两个或更多由软件控制的电机旋转轴。这在一侧控制天线位置，在另一端连接到仪器，使其能够直接绘制辐射方向图的3D图像。图2显示了一个典型的相控阵3D辐射方向图。

图2：来自28GHz 8x8相控阵系统的辐射方向图。

毫米波天线定位器的特性

通常，定位器由其尺寸和重量、旋转轴数量及其角分辨率来定义。图3显示了一个MilliBox 3轴天线定位器。MilliBox旨在降低杂散反射的风险，因此他们使用非金属材料制造定位器主体。定位器主体可由有机材料（如塑料或泡沫）制成，或覆盖吸波材料。

图3：毫米波3轴天线定位器。

捕获OTA数据可以通过多种方式完成。因此，能够以源代码形式拥有定位器控制器的灵活性是一个巨大优势。Python是一种免费且广为人知的程序，是控制定位器的首选。此外，以便携式格式（如CSV）输出数据采集结果，有助于拓宽数据可视化工具的选择。

布线和信号走线常常是事后才考虑的问题，但可能带来灾难性后果。将所有旋转轴中空化，以便电缆可以从中穿过，减少了电缆长度和这些电缆上的扭转应力。例如，低剖面电缆组件与自动化3D天线定位器兼容，而当波导是唯一实用的被测设备连接方式时，将频率扩展器嵌入到3D定位器中是一种解决方案。

优化的天线测试解决方案

毫米波及更高频率的天线测试解决方案的需求与较低频率的微波测试不同，为设计工程师提供多个测试装置可以提高吞吐量和效率。MilliBox提供一系列满足毫米波和亚太赫兹无线市场特定需求的电波暗室和天线定位器。