使用矢量网络分析仪验证卫星通信射频前端的创新方法

空口 (OTA) 测试环境 ，配置射频仪器与测量系统 ，置于屏蔽暗室中。

如何在空口 (OTA) 环境中确保集成上变频、放大及天线的高集成度射频前端具备低群时延?

您的任务

群时延是卫星有效载荷与雷达系统中的关键参数，它直接影响系统的整体性能。虽然存在多种天线群时延测量方法，但大多数都忽略了此类应用中常用的频率转换链所带来的挑战。低群时延变化的精确测量与设计对于确保可靠的通信、精确的导航以及实现具有稳健目标定位能力的相干雷达信号处理至关重要。群时延衡量的是工作带宽内的信号包络 ，通过滤波器、放大器或混频器等器件所需的时间。它被定义为前向传输相位φ随频率变化曲线的负斜率。

实际计算群时延时，采用以下近似公式，通过观测两个不同频率f1与f2处的相位差得出：

对于频率转换器件，由于中频 (IF) 和射频 (RF) 频率不同，测量系统在跨频率范围内并未设定默认的相位关系，这进一步增加了其复杂性。

罗德与施瓦茨的解决方案

01如何在空口 (OTA) 环境中测量群时延

R&SZNA矢量网络分析仪 (VNA) 支持双音群时延测量方法，该方法适用于多级混频器，且不受待测器件 (DUT)内部本振 (LO) 的频率与相位稳定性影响。然而，此技术需要使 用一个具有本振接入端口且群时延预先已知的混频器进行校准，这限制了其应用范围，使其只能适用于校准混频器所采用 的特定频率转换方案。

在天线测量中，矢量网络分析仪 (VNA) 通常进行独立校准――仅在整个系统层面使用两个相同天线或三个天线的替代方法执行校准。

一种更为灵活的替代方案是采用一种新的解决方案 ，其通过两阶段校准程序来校准空口 (OTA) 测试系统。首先，将矢量网络分析仪 (VNA) 作为独立仪器进行校准，随后对整个天线测量系统进行校准。 除了开路、短路、匹配 (OSM) 校准外，VNA校准还采用一个梳状波发生器作为谐波相位参考 (HPR)。这使得VNA能够进行宽带误差修正，并能将仪器内部可能存在的频率 转换方案引入的非理想因素考虑在内。与仅能在其设计频段内工作的传统校准混频器相比，这是一个重大的简化。

R&SZN-ZCG梳状波发生器作为一个标准件。它提供一个具有已知相位关系的相位表征频谱，其中各梳状谱线之间具有确定的相位关系。校准过程在R&SZNA矢量网络分析仪中完全自动化，并且仅需在单个端口上执行。校准完成后，移除该标准件，所有端口即可在整个已校准的频率范围内提供相位校准。

这是通过R&SSMARTerCal理念实现的。该理念将来自所有端口的系统误差修正信息，与通过梳状波发生器在单个端口上获得的相位校准信息相结合，从而显著减少了校准时间与工作量。

02在空口 (OTA) 系统中验证测试方法

验证在一个采用MVG暗室进行，暗室内安装有一个大型紧缩场 (CATR) 反射面，可提供一个尺寸大于1米×1米的宽大静区。待测器件 (DUT) 为一副同样来自MVG的抛物面反射天线，外加一个R&S的混频器作为下变频器。本振 (LO) 频率为22 GHz，射频 (RF) 频率范围为23 GHz至31 GHz，产生的中频 (IF) 为1 GHz至9 GHz。

为进行验证，使用了两种待测器件 ( DUT) 配置：一是被测无源天线 ( PAUT) ，即天线加衰减器；二是被测有源天线 (AAUT) ，即PAUT再加一个混频器。完整测试装置的方框图如 “测量设置” 图所示。

简易校准设置

在单个接收端口进行校准设置，以实现全频率范围和所有端口上的确定相位校准。

待测器件 (DUT) 安装在转台上，正对紧缩场反射面。

校准后，采用时域门选通方法测量了混频器的S参数，该方法在空口 (OTA) 测试装置中提取了仅来自混频器的贡献。测量结果与一项独立的、通过传导方式进行的混频器测量结果进行了比较，显示出良好的一致性 (参见“传导测量与时域 门选通空口 (OTA) 测量的S21参数对比” 图)。

在验证过程中，单独测量了被测无源天线 ( PAUT) 的群时延，并与仿真数据进行了比较，结果也显示出高度吻合。这是必要的步骤，目的是验证天线与混频器组合 (AAUT) 的最终完整群时延测量结果 (图中以蓝色曲线表示) ，将测得的PAUT群时延 (浅蓝色) 与作为参考的混频器群时延相加后叠加 (红色，标注为AAUT)，覆盖其上 (参见“ 天线与混频器 (AAUT) 的群时延” 图)。

总结

该采用R&SZNA矢量网络分析仪与R&SZN-ZCG梳状波发生器的测试装，使得在空口 (OTA) 环境中对频率转换器件进行群时延测量成为可能。通过使用梳状波发生器作为谐波相位参考 (HPR) ，能够对矢量网络分析仪(VNA) 进行通用校准，使其适用于理解不同频率分量间相位关系的所有频率转换方案。此方法适用于测量先进、高集成度的射频前端器件，包括在射频和/或中频路径上集成有本振 (LO) 和/或倍频器的有源天线。

* 测量设置

测量配置包括R&SZNA矢量网络分析仪、紧缩场 (CATR) 馈源天线与反射面，以及集成混频器进行接收的被测有源天线 (AAUT)。

传导测量与时域门选通空口 (OTA) 测量的S21参数对比

图中显示出极佳的一致性。

天线加混频器 (AAUT) 的群时延

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