【導(dǎo)讀】各種尺寸、軌道和頻率的衛(wèi)星越來(lái)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(hào)的到達(dá)方向可提高接收信號(hào)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(lái)越多地使用相控陣來(lái)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(yíng)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(lái)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(hào)的到達(dá)方向可提高接收信號(hào)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(cè)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(duì)整個(gè)航天器進(jìn)行驗(yàn)證。在整個(gè)操作過(guò)程中，定期對(duì)傳輸鏈路進(jìn)行在軌檢查以監(jiān)測(cè)和確認(rèn)服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，并通過(guò)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(chǎng)，所有這些參數(shù)都必須進(jìn)行測(cè)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(cè)試需要接收、傳輸和雙向測(cè)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(cè)試處于接收模式的相控陣天線。在無(wú)線 (OTA) 測(cè)量之前，需要測(cè)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(hào)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(wú)需重新連接即可表征上述指標(biāo)。
對(duì)于 OTA 測(cè)試，關(guān)鍵測(cè)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(cè)試，如下圖所示。被測(cè)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(hào)。
圖 2在接收模式下測(cè)試相控陣天線的測(cè)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(cè)試相控陣天線。在進(jìn)行 OTA 測(cè)量之前，需要測(cè)試各個(gè)元件中的每個(gè)功率放大器。使用 VNA 或 CW 信號(hào)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(duì)于 OTA 測(cè)試，關(guān)鍵測(cè)量是有效輻射功率 (ERP) 和脈沖形狀。
多通道相位相干信號(hào)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(cè)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(cè)天線傳輸?shù)?CW 測(cè)試信號(hào)被調(diào)制載波取代時(shí)，信號(hào)分析儀用于測(cè)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(cè)試相控陣天線的測(cè)量設(shè)置
衛(wèi)星制造商關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是如何可靠地產(chǎn)生多個(gè)相位相干輸出來(lái)測(cè)試天線。隨著時(shí)間的推移，一致性在信號(hào)發(fā)生器之間保持固定的、定義的、相對(duì)相位關(guān)系，并且存在許多方法來(lái)穩(wěn)定載波的相對(duì)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(hào)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(wú)法提供足夠的長(zhǎng)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(duì)相位。這不適用于模擬信號(hào)發(fā)生器，因?yàn)樗鼈儫o(wú)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(hào)
OEM 努力測(cè)量傳輸輻射模式與頻率的關(guān)系。為支持此測(cè)試，可使用軟件命令外部信號(hào)發(fā)生器輸出多達(dá)四個(gè)相位相干信號(hào)，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?？稍诖颂幍倪\(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(cè)量
（來(lái)源：中電網(wǎng)）
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