華為 業(yè)界首個(gè)多探頭球面近場(chǎng)SG178測(cè)試系統(tǒng)

1、天線(xiàn)及近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地的發(fā)展

1.1 天線(xiàn)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(xiàn)，半波諧振環(huán)作為接收天線(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電磁波。赫茲所用的偶極子天線(xiàn)和環(huán)天線(xiàn)成為人類(lèi)歷史上第一副實(shí)驗(yàn)室天線(xiàn)。1905年，馬可尼在英格蘭波爾多架設(shè)大型方錐天線(xiàn)，發(fā)射波長(zhǎng)為1000m的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)洋通信。從此揭開(kāi)了天線(xiàn)發(fā)展的序幕。

接下來(lái)近一個(gè)世紀(jì)，天線(xiàn)技術(shù)在線(xiàn)天線(xiàn)、面天線(xiàn)、陣列天線(xiàn)三個(gè)方面均獲得快速發(fā)展：

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

天線(xiàn)技術(shù)在民用通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、測(cè)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(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展給天線(xiàn)的高精度和高效率測(cè)量帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

1.2 近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地的發(fā)展

天線(xiàn)場(chǎng)區(qū)可分為感應(yīng)場(chǎng)區(qū)、輻射近場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。天線(xiàn)測(cè)量場(chǎng)地可分為遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)、緊縮場(chǎng)這三大類(lèi)，具體細(xì)分如圖1所示。

圖 1 天線(xiàn)測(cè)量場(chǎng)地分類(lèi)

天線(xiàn)測(cè)量領(lǐng)域最早出現(xiàn)的測(cè)量場(chǎng)地是室外遠(yuǎn)場(chǎng)，室外遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)屏蔽，容易受到外界電磁信號(hào)的干擾，且自身發(fā)射信號(hào)的反射和散射也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾，測(cè)量精度相對(duì)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(wú)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(xiàn)測(cè)量從室外轉(zhuǎn)移到室內(nèi)進(jìn)行，解決了室外遠(yuǎn)場(chǎng)背景電平高、保密性差、不支持全天候測(cè)試等問(wèn)題。

由于天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，尤其是深空探測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展，大型反射面天線(xiàn)及大口徑陣列天線(xiàn)得到廣泛應(yīng)用，室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)難以滿(mǎn)足大口徑天線(xiàn)測(cè)試所需的遠(yuǎn)場(chǎng)距離，人們期望通過(guò)在有限距離空間內(nèi)獲取天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，由此促進(jìn)了緊縮場(chǎng)和近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。

緊縮場(chǎng)通過(guò)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(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，從而在一定程度上解決遠(yuǎn)場(chǎng)距離不足帶來(lái)的瓶頸。根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的不同，緊縮場(chǎng)可分為反射面型、透鏡型、全息型。反射面型緊縮場(chǎng)應(yīng)用最廣泛。

相對(duì)于室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)和緊縮場(chǎng)，近場(chǎng)在三維方向圖測(cè)試、測(cè)試效率、口徑場(chǎng)幅相探測(cè)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)因此獲得快速發(fā)展。近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)發(fā)展經(jīng)過(guò)了四個(gè)階段：第一個(gè)階段為無(wú)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(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地可分為平面近場(chǎng)、柱面近場(chǎng)、球面近場(chǎng)三種類(lèi)型；根據(jù)采用探頭數(shù)量的不同，近場(chǎng)可分為單探頭近場(chǎng)和多探頭近場(chǎng)兩種類(lèi)型。

2、近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地在移動(dòng)通信天線(xiàn)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 移動(dòng)通信天線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)測(cè)量場(chǎng)地的要求

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

表 1 移動(dòng)通信天線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)測(cè)量場(chǎng)地要求

2.2 近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地測(cè)試功能

近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地的主要測(cè)試功能：

天線(xiàn)方向性系數(shù)、損耗、效率測(cè)量（近場(chǎng)通過(guò)三維遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)積分計(jì)算得到天線(xiàn)方向性系數(shù)，進(jìn)而可以得到天線(xiàn)效率及損耗信息）

天線(xiàn)增益測(cè)量

天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)幅度方向圖測(cè)量

天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)相位方向圖測(cè)量

TDD智能天線(xiàn)業(yè)務(wù)波束、單元波束和廣播波束方向圖測(cè)試

多波束天線(xiàn)方向圖測(cè)試

天線(xiàn)相位中心測(cè)試

口徑場(chǎng)成像及診斷（通過(guò)近場(chǎng)幅相信息作陣列的口徑場(chǎng)成像及陣元失效診斷）

三維方向圖測(cè)量

2.3 近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地測(cè)試精度及測(cè)試效率

近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)通過(guò)測(cè)量天線(xiàn)的幅度和相位，再經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的近遠(yuǎn)場(chǎng)變換，得到天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，近場(chǎng)測(cè)量理論已非常成熟。國(guó)際國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)近場(chǎng)作過(guò)大量的誤差理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1988年，美國(guó)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(chǎng)的18項(xiàng)誤差理論，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算、仿真分析、實(shí)際測(cè)量等手段評(píng)估平面近場(chǎng)的18項(xiàng)測(cè)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(chǎng)的誤差理論。

EurAPP工作組和ACE(Antenna Centre of Excellence)對(duì)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(chǎng)、緊縮場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)做了大量的精度對(duì)比驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：近場(chǎng)、緊縮場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)均可達(dá)到較高的測(cè)試精度。

移動(dòng)通信領(lǐng)域，近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地普通采用多探頭，通過(guò)電子掃描方式取代單探頭旋轉(zhuǎn)方式，天線(xiàn)只需在一個(gè)安裝姿態(tài)下測(cè)試，測(cè)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(xiàn)等。

2.4 近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)、緊縮場(chǎng)對(duì)比

近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)及緊縮場(chǎng)的對(duì)比如表2所示。

表 2 近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)及緊縮場(chǎng)對(duì)比

3、近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地的檢測(cè)方法

近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地檢測(cè)包含暗室性能檢測(cè)及探頭性能檢測(cè)兩個(gè)方面。

3.1 近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地暗室性能檢測(cè)方法

近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地屏蔽性能檢測(cè)：屏蔽性能檢測(cè)參考《GB-T 12190-2006 電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量》。

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

3.2 近場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地探頭性能檢測(cè)方法

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

圖 2 近場(chǎng)探頭性能檢測(cè)示意圖

近場(chǎng)要求每個(gè)探頭對(duì)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(gè)方面。測(cè)試過(guò)程中，需保證測(cè)試環(huán)境相同，即：

1）喇叭口徑面中心到達(dá)各個(gè)探頭的路徑距離相同；2）需采用激光精確對(duì)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(xiàn)上；3）測(cè)試過(guò)程中，保證對(duì)于同一個(gè)頻點(diǎn)，信號(hào)源輸出信號(hào)幅度一致；

測(cè)試時(shí)，喇叭相對(duì)探頭作360°方位旋轉(zhuǎn)，測(cè)量探頭相對(duì)喇叭在不同極化位置時(shí)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(xiàn)如圖3所示。

圖 3 近場(chǎng)探頭幅度測(cè)量曲線(xiàn)示例

探頭幅度和相位數(shù)據(jù)可以同時(shí)測(cè)量得到，對(duì)每個(gè)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(xiàn)應(yīng)用領(lǐng)域及相應(yīng)規(guī)格特性的不斷發(fā)展，天線(xiàn)測(cè)量技術(shù)也面臨精度、效率、測(cè)試功能滿(mǎn)足度等方面挑戰(zhàn)，近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在上述背景推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已成為了一種成熟的主流測(cè)試技術(shù)，在移動(dòng)通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。