華為 業(yè)界首個多探頭球面近場SG178測試系統(tǒng)

1、天線及近場測量場地的發(fā)展

1.1 天線發(fā)展史

自1864年麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在性后，1886年，赫茲采用終端加載偶極子作為發(fā)射天線，半波諧振環(huán)作為接收天線，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電磁波。赫茲所用的偶極子天線和環(huán)天線成為人類歷史上第一副實(shí)驗(yàn)室天線。1905年，馬可尼在英格蘭波爾多架設(shè)大型方錐天線，發(fā)射波長為1000m的信號，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)洋通信。從此揭開了天線發(fā)展的序幕。

接下來近一個世紀(jì)，天線技術(shù)在線天線、面天線、陣列天線三個方面均獲得快速發(fā)展：

第一階段：為線天線發(fā)展階段，主要代表為偶極子天線、環(huán)天線和八木天線；第二階段：為面天線發(fā)展階段，主要代表為反射面天線、透鏡天線；第三階段：為陣列天線發(fā)展階段，主要代表為相控陣天線、合成孔徑天線；

天線技術(shù)在民用通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、測控遙感、計(jì)量校準(zhǔn)等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，這些領(lǐng)域的新應(yīng)用有效促進(jìn)了天線技術(shù)的發(fā)展。同時，天線技術(shù)的發(fā)展給天線的高精度和高效率測量帶來很大挑戰(zhàn)。

1.2 近場測量場地的發(fā)展

天線場區(qū)可分為感應(yīng)場區(qū)、輻射近場區(qū)和輻射遠(yuǎn)場區(qū)。天線測量場地可分為遠(yuǎn)場、近場、緊縮場這三大類，具體細(xì)分如圖1所示。

圖 1 天線測量場地分類

天線測量領(lǐng)域最早出現(xiàn)的測量場地是室外遠(yuǎn)場，室外遠(yuǎn)場無屏蔽，容易受到外界電磁信號的干擾，且自身發(fā)射信號的反射和散射也會對測試結(jié)果造成干擾，測量精度相對較低。20世紀(jì)50年代初，微波暗室技術(shù)出現(xiàn)，早期的暗室無屏蔽殼體，暗室反射性能不高，目前暗室屏蔽效能和靜區(qū)反射性能都能達(dá)到較高水準(zhǔn)。隨著微波暗室技術(shù)的發(fā)展，天線測量從室外轉(zhuǎn)移到室內(nèi)進(jìn)行，解決了室外遠(yuǎn)場背景電平高、保密性差、不支持全天候測試等問題。

由于天線技術(shù)的發(fā)展，尤其是深空探測技術(shù)飛速發(fā)展，大型反射面天線及大口徑陣列天線得到廣泛應(yīng)用，室內(nèi)遠(yuǎn)場難以滿足大口徑天線測試所需的遠(yuǎn)場距離，人們期望通過在有限距離空間內(nèi)獲取天線的遠(yuǎn)場方向圖，由此促進(jìn)了緊縮場和近場測量技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。

緊縮場通過反射面、透鏡或者全息技術(shù)將球面波轉(zhuǎn)換為平面波，可以在有限距離上，獲取天線遠(yuǎn)場方向圖，從而在一定程度上解決遠(yuǎn)場距離不足帶來的瓶頸。根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的不同，緊縮場可分為反射面型、透鏡型、全息型。反射面型緊縮場應(yīng)用最廣泛。

相對于室內(nèi)遠(yuǎn)場和緊縮場，近場在三維方向圖測試、測試效率、口徑場幅相探測方面具有一定優(yōu)勢，近場測量技術(shù)因此獲得快速發(fā)展。近場測量技術(shù)發(fā)展經(jīng)過了四個階段：第一個階段為無探頭修正探索階段（1950~1961年），第二階段為探頭修正理論研究階段（1961~1975年），第三階段為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探頭修正理論階段（1965~1975年），第四階段為應(yīng)用推廣階段（1975~至今）。根據(jù)采樣面的不同，近場測量場地可分為平面近場、柱面近場、球面近場三種類型；根據(jù)采用探頭數(shù)量的不同，近場可分為單探頭近場和多探頭近場兩種類型。

2、近場測量場地在移動通信天線測量領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 移動通信天線發(fā)展趨勢對測量場地的要求

移動通信天線應(yīng)用頻段當(dāng)前主要集中在6GHz以下。移動通信天線未來正朝著多頻化、多波束、有源集成化、智能化方向發(fā)展。移動通信天線技術(shù)的發(fā)展對測量場地的測試功能及高精度、高效率測量帶來了新的挑戰(zhàn)，如表1所示。由于近場測量場地在測試功能、測試精度及測試效率上能滿足移動通信天線測試要求，因此在移動通信天線測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

表 1 移動通信天線發(fā)展趨勢及其對測量場地要求

2.2 近場測量場地測試功能

近場測量場地的主要測試功能：

天線方向性系數(shù)、損耗、效率測量（近場通過三維遠(yuǎn)場測試數(shù)據(jù)積分計(jì)算得到天線方向性系數(shù)，進(jìn)而可以得到天線效率及損耗信息）

天線增益測量

天線遠(yuǎn)場幅度方向圖測量

天線遠(yuǎn)場相位方向圖測量

TDD智能天線業(yè)務(wù)波束、單元波束和廣播波束方向圖測試

多波束天線方向圖測試

天線相位中心測試

口徑場成像及診斷（通過近場幅相信息作陣列的口徑場成像及陣元失效診斷）

三維方向圖測量

2.3 近場測量場地測試精度及測試效率

近場測量技術(shù)通過測量天線的幅度和相位，再經(jīng)過嚴(yán)格的近遠(yuǎn)場變換，得到天線的遠(yuǎn)場方向圖。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，近場測量理論已非常成熟。國際國內(nèi)眾多學(xué)者對近場作過大量的誤差理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1988年，美國NIST(National Institute of Standards and Technology)的ALLEN C. NEWELL在IEEE Tansactions on Antenna and Propagation上提出了平面近場的18項(xiàng)誤差理論，通過數(shù)學(xué)計(jì)算、仿真分析、實(shí)際測量等手段評估平面近場的18項(xiàng)測量誤差。

隨后，ALLEN C. NEWELL、Patrick Pelland和Greg Hindman等人進(jìn)一步給出柱面及球面近場的誤差理論。

EurAPP工作組和ACE(Antenna Centre of Excellence)對DTU-ESA(Technical University of Denmark-European Space Agency)、UPM(Technical University of Madrid)、SAAB(Saab Ericsson Space)、FT(France Telecom)等世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可的近場、緊縮場及遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)做了大量的精度對比驗(yàn)證測試，測試結(jié)果表明：近場、緊縮場及遠(yuǎn)場均可達(dá)到較高的測試精度。

移動通信領(lǐng)域，近場測量場地普通采用多探頭，通過電子掃描方式取代單探頭旋轉(zhuǎn)方式，天線只需在一個安裝姿態(tài)下測試，測試效率較高，尤其適合需要準(zhǔn)確找到波束指向的多波束、智能天線等。

2.4 近場測量場地與室內(nèi)遠(yuǎn)場、緊縮場對比

近場測量場地與室內(nèi)遠(yuǎn)場及緊縮場的對比如表2所示。

表 2 近場測量場地與室內(nèi)遠(yuǎn)場及緊縮場對比

3、近場測量場地的檢測方法

近場測量場地檢測包含暗室性能檢測及探頭性能檢測兩個方面。

3.1 近場測量場地暗室性能檢測方法

近場測量場地屏蔽性能檢測：屏蔽性能檢測參考《GB-T 12190-2006 電磁屏蔽室屏蔽效能的測量》。

近場測量場地靜區(qū)反射性能檢測：靜區(qū)反射性能檢測采用自由空間駐波比法或方向圖比較法。

3.2 近場測量場地探頭性能檢測方法

近場探頭性能檢測示意圖如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)喇叭固定在二維轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺俯仰旋轉(zhuǎn)使喇叭能對準(zhǔn)各個探頭，方位旋轉(zhuǎn)使喇叭能做圍繞探頭作360°旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺工裝需特殊設(shè)計(jì)，使得喇叭固定在轉(zhuǎn)臺上時，喇叭口徑面中心到達(dá)各個探頭的距離相等。

圖 2 近場探頭性能檢測示意圖

近場要求每個探頭對相同輸入的響應(yīng)一致，探頭性能主要包含：探頭幅度性能、相位性能及交叉極化性能三個方面。測試過程中，需保證測試環(huán)境相同，即：

1）喇叭口徑面中心到達(dá)各個探頭的路徑距離相同；2）需采用激光精確對準(zhǔn)，使得圓環(huán)中心、喇叭口徑面中心及探頭中心三點(diǎn)在一條直線上；3）測試過程中，保證對于同一個頻點(diǎn)，信號源輸出信號幅度一致；

測試時，喇叭相對探頭作360°方位旋轉(zhuǎn)，測量探頭相對喇叭在不同極化位置時的探頭接收到的幅度及相位數(shù)據(jù)，探頭接收幅度數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖 3 近場探頭幅度測量曲線示例

探頭幅度和相位數(shù)據(jù)可以同時測量得到，對每個探頭的幅度及相位數(shù)據(jù)處理，可以得到所有探頭的幅度及相位一致性及交叉極化性能。

4、總結(jié)

隨著天線應(yīng)用領(lǐng)域及相應(yīng)規(guī)格特性的不斷發(fā)展，天線測量技術(shù)也面臨精度、效率、測試功能滿足度等方面挑戰(zhàn)，近場測量技術(shù)在上述背景推動下，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為了一種成熟的主流測試技術(shù)，在移動通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。