近场测量场地及其应用

2017-04-18 20:34:06

1天线及近场测量场地的发展


1.1天线发展史

自1864年麦克斯韦预言电磁波的存在性后，1886年，赫兹采用终端加载偶极子作为发射天线，半波谐振环作为接收天线，在实验中发现了电磁波。赫兹所用的偶极子天线和环天线成为人类历史上第一副实验室天线。1905年，马可尼在英格兰波尔多架设大型方锥天线，发射波长为1000m的信号，实现了远洋通信。从此揭开了天线发展的序幕。
接下来近一个世纪，天线技术在线天线、面天线、阵列天线三个方面均获得快速发展：
第一阶段：为线天线发展阶段，主要代表为偶极子天线、环天线和八木天线；
第二阶段：为面天线发展阶段，主要代表为反射面天线、透镜天线；
第三阶段：为阵列天线发展阶段，主要代表为相控阵天线、合成孔径天线；
天线技术在民用通信、卫星通信、雷达、测控遥感、计量校准等领域发挥了重大作用，这些领域的新应用有效促进了天线技术的发展。同时，天线技术的发展给天线的高精度和高效率测量带来很大挑战。

1.2近场测量场地的发展

天线场区可分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。天线测量场地可分为远场、近场、紧缩场这三大类，具体细分如图1所示。
近场测量场地及其应用
图 1  天线测量场地分类
天线测量领域最早出现的测量场地是室外远场，室外远场无屏蔽，容易受到外界电磁信号的干扰，且自身发射信号的反射和散射也会对测试结果造成干扰，测量精度相对较低。20世纪50年代初，微波暗室技术出现，早期的暗室无屏蔽壳体，暗室反射性能不高，目前暗室屏蔽效能和静区反射性能都能达到较高水准。随着微波暗室技术的发展，天线测量从室外转移到室内进行，解决了室外远场背景电平高、保密性差、不支持全天候测试等问题。
由于天线技术的发展，尤其是深空探测技术飞速发展，大型反射面天线及大口径阵列天线得到广泛应用，室内远场难以满足大口径天线测试所需的远场距离，人们期望通过在有限距离空间内获取天线的远场方向图，由此促进了紧缩场和近场测量技术的产生和发展。
紧缩场通过反射面、透镜或者全息技术将球面波转换为平面波，可以在有限距离上，获取天线远场方向图，从而在一定程度上解决远场距离不足带来的瓶颈。根据应用技术的不同，紧缩场可分为反射面型、透镜型、全息型。反射面型紧缩场应用最广泛。
相对于室内远场和紧缩场，近场在三维方向图测试、测试效率、口径场幅相探测方面具有一定优势，近场测量技术因此获得快速发展。近场测量技术发展经过了四个阶段：第一个阶段为无探头修正探索阶段（1950~1961年），第二阶段为探头修正理论研究阶段（1961~1975年），第三阶段为实验验证探头修正理论阶段（1965~1975年），第四阶段为应用推广阶段（1975~至今）。根据采样面的不同，近场测量场地可分为平面近场、柱面近场、球面近场三种类型；根据采用探头数量的不同，近场可分为单探头近场和多探头近场两种类型。

2近场测量场地在移动通信天线测量领域的应用


2.1移动通信天线发展趋势对测量场地的要求

移动通信天线应用频段当前主要集中在6GHz以下。移动通信天线未来正朝着多频化、多波束、有源集成化、智能化方向发展。移动通信天线技术的发展对测量场地的测试功能及高精度、高效率测量带来了新的挑战，如表1所示。由于近场测量场地在测试功能、测试精度及测试效率上能满足移动通信天线测试要求，因此在移动通信天线测量领域得到广泛应用。
表 1  移动通信天线发展趋势及其对测量场地要求
移动通信天线发展趋势及其对测量场地的要求
天线趋势天线形式关键特征对测量场地要求
多频化多频段共天线（700M、800M、900 M、1.5G、1.8 G、2.1 G、2.6 G、3.5 G）1）频段数量多
2）高低频共天线，阵列数量多，天线口径大		1）测试效率高；
2）支持大口径天线测试；
多波束双波束天线、三波束天线1）包含多个波束；
2）波束指向不在轴向位置		1）能快速准确找到波束指向；
2）测试效率高；
有源集成化AAS有源天线
Massive MIMO天线		1）射频系统与天线完全集成；1）支持空口测试；
2）支持调制信号测试及OTA测试；
智能化TDD智能天线
二维可调天线
波束宽度可调天线		1）包含单元波束、业务波束和广播波束1）能快速准确找到波束指向；
2）测试效率高；
 

2.2近场测量场地测试功能

近场测量场地的主要测试功能：
  • 天线方向性系数、损耗、效率测量（近场通过三维远场测试数据积分计算得到天线方向性系数，进而可以得到天线效率及损耗信息）
  • 天线增益测量
  • 天线远场幅度方向图测量
  • 天线远场相位方向图测量
  • TDD智能天线业务波束、单元波束和广播波束方向图测试
  • 多波束天线方向图测试
  • 天线相位中心测试
  • 口径场成像及诊断（通过近场幅相信息作阵列的口径场成像及阵元失效诊断）
  • 三维方向图测量
备注：打“★”号代表近场测量场地特有测试功能
 

2.3近场测量场地测试精度及测试效率

近场测量技术通过测量天线的幅度和相位，再经过严格的近远场变换，得到天线的远场方向图。经过半个多世纪的发展，近场测量理论已非常成熟。国际国内众多学者对近场作过大量的误差理论分析及实验验证。
1988年，美国NIST(National Institute of Standards and Technology)的ALLEN C. NEWELL在IEEE Tansactions on Antenna and Propagation上提出了平面近场的18项误差理论，通过数学计算、仿真分析、实际测量等手段评估平面近场的18项测量误差。
随后，ALLEN C. NEWELL、Patrick Pelland和Greg Hindman等人进一步给出柱面及球面近场的误差理论。
EurAPP工作组和ACE(Antenna Centre of Excellence)对DTU-ESA(Technical University of Denmark-European Space Agency)、UPM(Technical University of Madrid)、SAAB(Saab Ericsson Space)、FT(France Telecom)等世界范围内得到广泛认可的近场、紧缩场及远场测量系统做了大量的精度对比验证测试，测试结果表明：近场、紧缩场及远场均可达到较高的测试精度。
移动通信领域，近场测量场地普通采用多探头，通过电子扫描方式取代单探头旋转方式，天线只需在一个安装姿态下测试，测试效率较高，尤其适合需要准确找到波束指向的多波束、智能天线等。
 

2.4近场测量场地与室内远场、紧缩场对比

近场测量场地与室内远场及紧缩场的对比如表2所示。
表 2  近场测量场地与室内远场及紧缩场对比
近场测量场地与室内远场及紧缩场对比
维度室内远场球面近场紧缩场
全向天线一般优秀一般
定向天线优秀优秀优秀
大尺寸天线支持能力良好优秀优秀
频段支持能力优秀良好良好
三维方向图支持能力一般优秀一般
幅度方向图优秀优秀优秀
相位方向图良好良好良好
天线方向性系数、效率、损耗一般优秀一般
测试精度优秀优秀优秀
测试效率良好优秀良好
系统复杂性优秀一般一般
 
 

3近场测量场地的检测方法

近场测量场地检测包含暗室性能检测及探头性能检测两个方面。

3.1近场测量场地暗室性能检测方法

近场测量场地屏蔽性能检测：
屏蔽性能检测参考《GB-T 12190-2006 电磁屏蔽室屏蔽效能的测量》。
近场测量场地静区反射性能检测：
静区反射性能检测采用自由空间驻波比法或方向图比较法。

3.2近场测量场地探头性能检测方法

近场探头性能检测示意图如图2所示，标准喇叭固定在二维转台上，转台俯仰旋转使喇叭能对准各个探头，方位旋转使喇叭能做围绕探头作360°旋转。转台工装需特殊设计，使得喇叭固定在转台上时，喇叭口径面中心到达各个探头的距离相等。
近场测量场地及其应用
图 2  近场探头性能检测示意图
近场要求每个探头对相同输入的响应一致，探头性能主要包含：探头幅度性能、相位性能及交叉极化性能三个方面。测试过程中，需保证测试环境相同，即：
1）喇叭口径面中心到达各个探头的路径距离相同；
2）需采用激光精确对准，使得圆环中心、喇叭口径面中心及探头中心三点在一条直线上；
3）测试过程中，保证对于同一个频点，信号源输出信号幅度一致；
测试时，喇叭相对探头作360°方位旋转，测量探头相对喇叭在不同极化位置时的探头接收到的幅度及相位数据，探头接收幅度数据曲线如图3所示。

图 3  近场探头幅度测量曲线示例
探头幅度和相位数据可以同时测量得到，对每个探头的幅度及相位数据处理，可以得到所有探头的幅度及相位一致性及交叉极化性能。
 

4总结

随着天线应用领域及相应规格特性的不断发展，天线测量技术也面临精度、效率、测试功能满足度等方面挑战，近场测量技术在上述背景推动下，经过几十年的发展，已成为了一种成熟的主流测试技术，在移动通信领域得到了广泛的应用。
 
参考文献
  1. 章文勋.世纪之交的天线技术.电波科学学报.Vol.15(1)，2000
  2. 邓斌，胡明春，李建新.天线近场测试新技术.2008年全国军事微波技术学术会议（MMW’2008）论文集.中国电子学会.Jun.2009.
  3. L.J.Foged, Breinbjerg,O.Pivnenko,S. Antenna Measurement facility comparison within the European Antenna Centre of Excellence.European Microwave Conference,Oct.2005.
  4. L.J.Foged, M.Sierra-Castaner, L.Scialacqua. FACILITY COMPARISON CAMPAIGNS WITHIN EURAAP.Proceedings of 2011 EUCAP conference,2011
  5. ALLEN C.NEWELL.Error Analysis for Planar Nearfield Measurements,IEEE Transactions and propagetion,Vol 36(6),1988
  6. A.C.Newll,G.Hindman.The alignment of a spherical near-field rotator using electrical measurements.In the proceedings of the 19th annual AMTA Meeting and Symposium,1997
  7. D.J.Janse van Rensburg,R.S.Mishra,G.Seguin.Simulation of Errors in Near-field facilities. In the proceedings of the 17th annual AMTA Meeting and Symposium,1995
  8. Patrick Pelland，Greg Hindman，ALLEN C. NEWELL.Advances in Automated Error Assessment of Spherical Near-Field Antenna Measurements.
 
作者简介：
何骏涛，硕士，华为技术有限公司天馈业务部测试专家，主要研究方向包括天线测试技术、可靠性测试技术、天线测试场地等