CN106685484B - 一种近场模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近场模拟器，基于紧缩场偏焦控制，实现近场的球面波前模拟，通过连续调整激励源对反射面的偏焦照射来实现不同距离处等效球面波源连续模拟，目的是紧缩化地实现大距离范围覆盖的近场电磁环境，用于无线电系统的近场模拟测试。该近场模拟器可工作于更为可控的自然环境或电磁环境内，有利于改善电磁模拟调试的试验条件，降低试验成本，提高试验效率。优于受自然气候影响较大的外场。该近场模拟器可模拟工作于更大范围的等效球面波源位置，利于动态可变配置试验所需的近场波前，有利于模拟测试所需更为逼真和多变的近场电磁环境。优于直接控制收发距离的近场。
Description
技术领域
本发明涉及近场模拟器，特别涉及一种基于紧缩场系统的近场模拟器，其主要应用于紧缩化地实现无线电系统的模拟测试，通信天线或雷达目标在近场工作时所需的球面波电磁环境，例如用于Massive MIMO天线的近距通信、精确制导雷达的末端信号模拟与测试，用以提升模拟仿真的测试质量、提高试验效率和降低试验成本。
背景技术
随着通信和雷达技术的深入发展，电子设备的高逼真仿真模拟测试对提升研发质量和加快研制进度有极为重要的作用。传统的通信天线和雷达天线的发射或接收是以平面波前的形式相互作用，天线系统调试、整机系统模拟测试和系统工作均以平面波场为环境条件，如直接远场、紧缩场、近场扫描的等效远场。然而随着新一代通信和雷达技术的发展，试验研究目标的电尺寸在不断增加，电磁波与目标的工作作用距离并不满足远场条件，收发天线上波前的相互作用将表现得较为复杂。例如Massive MIMO阵上的天线收发、导引头末端制导时的雷达目标散射，均以近场球面波前的形式发生作用。相比远场存在的唯一确定，近场波前变化不具有唯一性、场的幅度并非简单反比于距离。无线电系统的模拟仿真测试和整机调试虽可直接控制收发天线之间的距离，或天线与雷达目标之间的距离来实现近场波前模拟，但调整量即为控制量，在实际操作中由于调整量需求很大，比如从几百米到几十米，二者之间不成放大关系，给模拟试验研究带来很大困难。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种通过紧缩场偏焦模拟近场球面波前的技术，在可控的较小偏焦调整范围内，实现大范围等效球面波源位置的精确控制。
本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：一种近场模拟器，该近场模拟器主要由激励源、紧缩场反射面、激励源偏焦控制系统和等效电磁环境静区组成；
所述的激励源，用于系统最终在等效静区内形成近场球面波时提供初始波源。
所述的紧缩场反射面，是精密机械加工的曲面，通常中心实体部分为旋转抛物面或球面，边缘通常锯齿或卷曲处理，用以校正激励波前转换为所期望的波前，用于将激励源发出的电磁波反射后在较小距离内紧缩的在固定区域形成所需的远场平面波或近场球面波波前。
所述的激励源偏焦控制系统，是由机械电子设备调整激励源对反射面的照射位置，以控制等效激励源的位置，用于在静区模拟远场平面波、不同位置等效波源的近场球面波前时所需激励源在轴向和横向的位置调整；
所述的等效电磁环境静区，是由激励源照射反射面形成的电磁场区域，用于无线电系统的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试、以及近场电磁散射测试。
进一步的，所述的近场模拟器在馈源偏焦工作时，通过调整馈源的轴向偏焦位置，将紧缩场静区内电磁场等效为近场球面波前。
进一步的，所述的近场模拟器在馈源轴向偏焦工作时，通过补偿调整馈源的横向位置，将等效近场的球面波保持控制在固定区域，形成等效的电磁环境，用于无线电系统的模拟测试。
进一步的，实现的近场波前球面波源等效位置在大范围内连续可调，且调整量与所期望的控制量间存在放大关系，即紧缩化地实现大距离范围内的近场模拟。
进一步的，能应用于无线电系统的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试。
本发明的技术原理如下：
一种近场模拟器，主要由激励源、紧缩场反射面、激励源偏焦控制系统和等效电磁环境静区组成。激励源偏离紧缩场反射面的焦点时，横向偏焦引起波束线性偏转，轴向偏焦导致波前二阶甚至高阶弯曲，二者组合控制可在固定位置产成球面波前，作为近场模拟器使用的等效电磁环境。
近场模拟器在馈源偏焦工作时，通过调整馈源的轴向偏焦位置，将紧缩场静区内电磁场等效为近场球面波前。近场模拟器通过补偿调整馈源的横向位置，将等效近场的球面波波束保持控制，在固定位置形成等效的电磁环境，用于待测件模拟测试。近场模拟器实现的近场波前的球面波源等效位置在大范围内连续可调，且调整量与所期望的控制量间存在放大关系，即紧缩化地实现大距离范围内近场模拟。近场模拟器能应用于无线电系统的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试。
激励源位于紧缩场反射面的焦点时，静区内的电磁环境为平面波场，即为在紧缩的距离上等效实现了无穷远处的平面波波前，该技术为天线和雷达散射截面紧缩场测试所使用。为了控制反射面边缘绕射的影响，提升静区等幅等相的平面波场性能，反射面边缘通常锯齿状或卷曲处理。为了避免馈源遮挡，紧缩场系统通常采用偏馈结构，单反射面为旋转抛物面的一部分，并且采用虚顶点技术。
其中，近场波前模拟实现所依赖的紧缩场工作原理，不局限于反射面系统的方案类型，包括单反射面、双柱面、格里高利式或卡塞格伦式、甚至多反射面。
其中，紧缩场系统的反射面口面设计，不局限于反射面某特定的边缘形式，包括锯齿或卷曲处理。
其中，模拟实现的球面波前的工作频段，不局限于特定要求，最高频率依据根据反射器型面精度、静区场相位残差容许来确定，最低频率需至少满足反射器口径电尺寸大于10～17倍波长。
其中，近场波前模拟实现所依赖紧缩场的偏焦控制系统，不局限于特定范围和实现方式，包括前移或后移偏焦，包括手动控制或电动控制实现。
其中，模拟实现的等效球面波源位置的连续调整，范围内的最近处依赖于残差容许、最远可至无穷远。
其中，模拟近场的布置不限于室内或室外，为了将背景电磁环境处于可控试验条件下，建议模拟器设置于微波暗室内。
其中，近场模拟器所选用的激励源不局限于普通相位中心明确的喇叭天线，包括手机等终端设备天线等。
其中，模拟实现的近场球面波前存在的高阶畸变残差为几何量，模拟近场位置越远、馈源越靠近焦点、高阶残差越小。
在微波和毫米波波段，紧缩场反射器的电尺寸并不足够大，并且静区在口径辐射的近场菲涅尔区，而非远场夫琅禾费区。紧缩场边缘绕射控制更为复杂和反射器精度要求更高，理论设计与工程实现要难于远场应用的传统反射面天线和光学反射镜，技术上通常需将边缘锯齿或卷曲处理，且反射器型面的加工精度要求优于1/100波长，来实现和保证高质量的静区场。
馈源在焦点照射抛物反射面的紧缩场，在几何光学意义上实现了波前准直，校正了馈源发出的球面波，在紧缩的距离上形成模拟测试所需的平面波场。
偏焦照射偏馈抛物面，紧缩场静区的平行波束将发生高阶畸变弯曲，其中期望模拟近场的球面波前为二阶量。在轴向前(靠近顶点方向)远离焦点，为补偿向上偏转的波束，偏焦馈点需向上移动，存在局部遮挡反射面的可能，需增大反射面相对虚顶点的抬高设计，如图1所示。在轴远离焦点(远离顶点方向)，减小的入射角导致波束将下移偏转，需将偏焦馈点向下补偿移动，可将偏转的波束保持在焦时的原始静区位置，如图2所示。
轴向偏焦、等效模拟球面波源位置和抛物面焦距满足约束关系，如下式所示，
其中：F′为等效球面波源的位置，F为抛物面焦距，△z为轴向偏焦量，前移为负，后移为正。
为将近场球面波保持在固定位置以等效电磁环境区的使用，
其中：△x为横向偏焦量，H为反射面中心高度，γ为与反射面中心—焦点之间连线的与抛物面旋转对称轴之间的夹角。
需要指出的是，式(1)约束关系和式(2)偏转补偿均为几何光学意义上的近似表达，等效形成的球面波波前存在二阶以上的高阶分量。当在边缘绕射严重的低频段(如口径小于30倍波长)和偏焦量较大(如△z>0.3F)时，并不满足光学射线理论和近轴近似的成立条件，需采用更为精密的方法来精确计算和评估，如物理光学或矩量法等计算电磁学算法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、该近场模拟器可工作于更为可控的自然环境或电磁环境内，有利于改善电磁模拟调试的试验条件，降低试验成本，提高试验效率。优于受自然气候影响较大的外场。
2、该近场模拟器可模拟工作于更大范围的等效球面波源位置，利于动态可变配置试验所需的近场波前，有利于模拟测试所需更为逼真和多变的近场电磁环境。优于直接控制收发距离的近场。
3、该近场模拟器可工作于较宽的无线电频段内，能用于常用的微波和毫米波波段。如2m级的紧缩场反射面，1m级的静区能覆盖S(2～4GHz)、C(4～8GHz)、X(8～12GHz)、Ku(12～18GHz)、K(18～27GHz)、Ka(27～40GHz)、U(40～60GHz)、V(60～90GHz)波段和W(75～110GHz)波段。
附图说明
图1是本发明的系统前移偏焦原理示意图；
图2是本发明的系统后移偏焦原理示意图；
图3是本发明优选实例的近场模拟器立体图，(偏馈偏焦激励锯齿边紧缩场反射面在静区形成等效球面波场)。
图中附图标记含义为：
图1和图2中：(1)为紧缩场的反射面，(2)为反射面顶点，(3)为旋转抛物反射面的对称轴，(4)为偏焦调整后的馈源，(5)为在焦点位置的馈源，(6)为待测件模拟测试所处的等效电磁环境静区，(7)为偏焦后的等效波源位置，(8)为馈源偏焦时的等效的同心球面波前、且以(7)为源点和球心，(9)馈源在焦时的平面波波前。
图1和图2中：F为抛物面焦距、H0为反射面中心高度、γ为反射面中心与焦点连线与轴线的夹角、△x和△z为横向和轴向偏焦量、F′为等效球面波源的位置。
图3中：(11)为锯齿边缘处理的紧缩场反射面，(12)为抛物反射面的焦点，(13)为偏焦调整后的激励源位置，(14)为偏焦激励反射面在静区形成的等效球面波场的相位分布。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，(1)为紧缩场反射面，当激励馈源(5)工作于反射面焦点时，静区内的电磁环境为平面波场。当激励馈源偏焦照射(4)反射面时，轴向和横向的偏焦位置由式(1)和(2)确定，静区场为式(1)中F′位置处等效源产生的球面波场。
紧缩场反射面是将经边缘处理设计的反射面采用机械加工的方法制造。反射面包括工作面和安装背架，前者用于变换馈源发出的波前到所期望的波前，后者起机械支撑和定位作用。此外，反射面的型面精度和与馈源控制定位需使用调整和定位机构来保证。
系统偏馈设计目的是避免馈源系统对反射面的遮挡，而偏馈必将引起馈源至口面底端和顶端波程的路径衰减不一致，可通过调整馈源照射角来用方向特性补偿空间路径不平衡。所以，紧缩场的馈源支架需具有绕馈点(焦点)调整照射角的功能。系统偏焦馈目的是形成波前二阶弯曲，而仅轴向偏焦必将反射波束偏转，可通过调整馈源横向位置保持静区位置固定。所以，紧缩场的馈源支架还需具有轴向和横向平移功能。
反射面实体的功能是将馈源发射波校正为所期望的近场波前，反射面边缘处理是用以形成口径幅度锥削来抑制边缘绕射对静区的影响。
本发明优选实例：
如图2所示的近场模拟器反射面与场分布示意，工作频率37.5GHz，采用物理光学算法计算。反射面采用旋转抛物面，口面尺寸：2.75m×2.75m，焦距2.75m，旋转抛物面中截线虚顶点比抛物面焦点所在抬高0.15m，模拟近场等效电磁环境的静区距离反射面上沿的口面3.0m。偏焦激励源连续调整0～0.825m，等效实现近场球面波源由无穷远至8.04m距离范围内的连续模拟。
其中，激励源在轴向上远离顶点偏移至3.3m(0.2倍焦距)，横向补偿下移至-0.305m，在静区形成球面波前的等效波源距离静区位置为12.57m，其中球面波前拟合的最大残差为0.56mm。即使类似以严格远场条件的π/8的相位波动要求，该实例可工作在Ka频段(26.5GHz～40GHz)。若适度容许等效电磁环境内场的相位残差波动为π/4～π/3，也可覆盖工作于W波段(75GHz～110GHz)以下的全部频段。
其中，激励源在轴向上远离顶点偏移至3.575m(0.3倍焦距)，横向补偿下移至-0.458m，在静区形成球面波前的等效波源距离静区位置为8.04m，其中球面波前拟合的最大残差为1.19mm。所以，该等效球面波模拟器可工作于8.04m的近场至无穷远的远场。
此外，根据当前机械工艺的加工水平，尺寸2m级的反射器型面常规精度可优于30μm，若超精密加工可优于5μm。就反射器型面精度要求，机械加工的该近场模拟器可在低于600GHz的频段内工作。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (4)
1.一种近场模拟器，其特征在于：该近场模拟器主要由激励源、紧缩场反射面、激励源偏焦控制系统和等效电磁环境静区组成，
所述的激励源，用于系统最终在等效电磁环境静区内形成近场球面波时提供初始波源；
所述的紧缩场反射面，是精密机械加工的曲面，中心实体部分为旋转抛物面或球面，边缘锯齿或卷曲处理，用以校正激励波前转换为所期望的波前，用于将激励源发出的电磁波反射后在较小距离内紧缩的在固定区域形成所需的远场平面波或近场球面波波前；
所述的激励源偏焦控制系统，是由机械电子设备调整激励源对反射面的照射位置，以控制等效激励源的位置，用于在等效电磁环境静区模拟远场平面波、不同位置等效波源的近场球面波波前时所需激励源在轴向和横向的位置调整；
所述的等效电磁环境静区，是由激励源照射反射面形成的电磁场区域，用于无线电系统的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试以及近场电磁散射测试；
其中，轴向偏焦、等效模拟球面波源位置和抛物面焦距满足约束关系，如下式所示，
其中：F′为等效模拟球面波源位置，F为抛物面焦距，Δz为轴向偏焦量，前移为负，后移为正；
为将近场球面波保持在固定位置以等效电磁环境静区的使用，
其中：Δx为横向偏焦量，H为反射面中心高度，γ为与反射面中心—焦点之间连线的与抛物面旋转对称轴之间的夹角。
2.如权利要求1所述的一种近场模拟器，其特征在于：所述的近场模拟器在馈源偏焦工作时，通过调整馈源的轴向偏焦位置，将等效电磁环境静区内电磁场等效为近场球面波波前，该近场球面波波前的等效模拟球面波源位置取决于馈源轴向偏焦位置。
3.如权利要求1所述的一种近场模拟器，其特征在于：所述的近场模拟器在馈源轴向偏焦工作时，通过补偿调整馈源的横向位置，将等效近场的球面波保持控制在固定区域，形成等效的电磁环境，用于无线电系统的模拟测试。
4.如权利要求1所述的一种近场模拟器，其特征在于：实现的等效模拟球面波源位置在大范围内连续可调，且调整量与所期望的控制量间存在放大关系，即紧缩化地实现大距离范围内的近场模拟。
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