测试用于卫星通信的相控阵天线

测试用于卫星通信的相控阵天线

随着卫星通信技术的不断发展，相控阵天线因其独特的性能优势而被广泛应用。本文将详细介绍相控阵天线在卫星通信中的应用及其测试方法，帮助读者深入了解这一前沿技术。

各种尺寸、轨道和频率的卫星越来越多地使用相控阵天线和数字波束形成技术，以优化接收和传输的辐射方向图。确定传入信号的到达方向可提高接收信号强度，并降低衰落、干扰和旁瓣电平，从而提高高吞吐量有效载荷的容量。还实现了更高的空间分集、更好的频率复用和更精确的用户定位。

为了提供下一代卫星应用，航天器越来越多地使用相控阵来组合多个单独的天线元件，以提高整体性能、增加增益、消除干扰并控制阵列，使其在特定方向上灵敏。这允许运营商更改和优化接收和传输，以实时响应不断变化的链路要求。

在开发高通量卫星时，相控阵天线会在航天器开发的所有阶段进行测试：从初始原型制作（EM）阶段的单个元件和完整阵列的性能表征，到与主要有效载荷集成时。随后在鉴定（EQM）阶段使用热真空室在代表性环境中对整个航天器进行验证。在整个操作过程中，定期对传输链路进行在轨检查以监测和确认服务质量（QoS），并通过使用波束成形技术动态更改和优化天线的辐射方向图以响应不断变化的链路要求进行接收和传输。

相控阵天线在具有特定增益、视轴（增益轴）、效率、阻抗、极化和旁瓣电平的特定频率范围内接收和传输指定带宽的信息。天线在特定方向辐射3D场，所有这些参数都必须进行测试和表征。每个元件都包含一个发射/接收模块，如下图所示，测试需要接收、传输和双向测量。

图 1 相控阵天线发射/接收模块

卫星制造商面临的一个主要挑战是如何在航天器开发的所有阶段准确地测试处于接收模式的相控阵天线。在无线（OTA）测量之前，需要测试各个元件中的每个低噪声放大器（LNA）。使用矢量网络分析仪（VNA）或CW信号源和频谱分析仪可以表征增益、噪声系数、压缩和互调失真。单个VNA无需重新连接即可表征上述指标。

对于OTA测试，关键测量是接收功率电平和各个元件之间的相位差，以确定到达方向。ZNBT或ZVA等多通道VNA可用于执行此类测试，如下图所示。被测接收天线（AUT）连接到VNA，在发射端，喇叭天线正在广播已知的CW信号。

图 2 在接收模式下测试相控阵天线的测量设置

卫星制造商面临的第二个关键挑战是如何在发射模式下准确测试相控阵天线。在进行OTA测量之前，需要测试各个元件中的每个功率放大器。使用VNA或CW信号源和频谱分析仪表征增益、噪声系数、压缩和互调失真。对于OTA测试，关键测量是有效辐射功率（ERP）和脉冲形状。

多通道相位相干信号用于驱动相控阵AUT，频谱分析仪连接到参考喇叭天线以测量接收辐射方向图以及旁瓣减少和调零的水平，如下所示。当被测天线传输的CW测试信号被调制载波取代时，信号分析仪用于测量误差矢量幅度（EVM）和误码率（BER）等指标。

图 3 在发射模式下测试相控阵天线的测量设置

卫星制造商关心的一个问题是如何可靠地产生多个相位相干输出来测试天线。随着时间的推移，一致性在信号发生器之间保持固定的、定义的、相对相位关系，并且存在许多方法来稳定载波的相对相位，例如10MHz或1GHz参考的耦合，或公共本地振荡器（LO）连接。由于组件漂移、温度差异以及各个信号发生器的相位噪声在时间上不相关的事实，前两种技术都无法提供足够的长期稳定性，如下图所示。

LO相位相干选项可用于确保多个仪器之间的稳定相对相位。这不适用于模拟信号发生器，因为它们无法为具有LO耦合的每个RF载波设置单独的相位。

图 4 10MHz、1GHz和LO耦合以生成多个相位相干信号

OEM努力测量传输辐射模式与频率的关系。为支持此测试，可使用软件命令外部信号发生器输出多达四个相位相干信号，用于电子波束形成和转向。使用该软件，可以绘制天线辐射方向图的二维方位角。可在此处的运行时Matlab可执行文件。

图 5 相控阵辐射方向图的二维测量

本文详细介绍了相控阵天线在卫星通信中的应用及其测试方法，涵盖了从基本原理到具体测试方案的全方位内容。对于从事卫星通信技术研究和开发的读者具有较高的参考价值。