CN108631046B

CN108631046B - 一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法

Info

Publication number: CN108631046B
Application number: CN201810094455.2A
Authority: CN
Inventors: 苗俊刚; 孙雪蕾; 张雨生; 乔兆龙; 胡岸勇
Original assignee: Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: CN108631046A

Abstract

本发明涉及一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法，包括一个长度和宽度的电尺寸超过10个最低工作频率波长的二维阵列天线口面，阵列天线单元和阵列天线馈电网络；该准平面波生成器利用惠更斯原理，通过对阵列天线单元位置、激励的幅度和相位控制，在距离二维阵列天线口面1.5倍口径尺寸附近区域形成高质量的准平面波静区。本发明应用范围广泛，可以用于电大尺寸天线的方向图测量、拥有电大尺寸天线的系统射频指标测量，尤其适用于5G移动通信的基站天线测量和毫米波波段终端天线和系统的测量。

Description

一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法

技术领域

本发明涉及电磁场与微波技术领域、阵列天线技术领域、天线及系统测量技术领域，尤其涉及5G移动通信基站天线测量与毫米波波段终端天线和系统的测量领域，具体内容为一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法。

背景技术

目前，对于5G移动通信技术的研究和相关样机的生产已经在全球范围内掀起一场移动通信产业革新的浪潮。大规模有源天线阵列技术作为5G移动通信技术的关键技术之一，受到了业界的广泛关注。5G Massive MIMO天线OTA测量方法是目前通信天线领域中的一个研究热点，已有多家设备生产厂商及仪表厂商提出了各自有针对性的测试方法。目前，业界对于5G Massive MIMO天线将更多需要依赖OTA测量基本达成共识。

5G毫米波通信中将引入近场问题，随着毫米波基站电尺寸的增大，满足远场条件的距离也将增加，构建满足远场条件的暗室将耗费巨资，不适用于大规模基站的研制和生产调试。紧缩场这一军事领域中广泛应用的技术将可能进入民用通信领域。在紧缩场研究中的近场理论也有望在毫米波通信中得到广泛应用。

天线近场问题一直是天线理论中的一个重要问题。在毫米波波段，移动通信也将不可避免的面临天线或射频系统测量距离近不满足远场条件的问题。由于在近距离实现平面波的问题本身是一个天线近场问题，其研究如何在近场条件下形成幅度近似相同、相位近似相等的准平面波，类似近场波束聚焦问题，但是需要考虑到静区在轴向分布的长度。因此，研究如何在近距离实现准平面波条件对于5G移动通信天线及射频指标测量是具有实际意义的。

目前，国内外已有几所高校和单位提出了相似的平面波生成器的概念，但其多采用超材料方法实现。例如由深圳光启高等理工研究院刘若鹏等人提出的紧缩场天线测量系统，其内部采用了多片超材料层叠结构形成平面波生成单元，其中每一片超材料包括基材以及设置在基材上的多个人造微孔结构。当馈源产生电磁波穿过超材料层叠结构时，会转换为平面电磁波。这种方法的优点是避免了制造高精度紧缩场反射面的加工工艺，降低了制造成本；但其缺点为超材料结构复杂、设计难度大。此外还有利用优化算法反向设计平面波生成器的方法。例如西安电子科技大学的冯学勇等人提出的使用遗传算法优化设计的工作于S波段的平面波生成器；意大利Ovidio Mario Bucci等人提出了利用基于遗传算法的全局搜索算法设计平面波生成器的方法。此类方法的优点是，通过设立目标函数，利用纯数学方法解出“最优解”，在一定程度上缩短了仿真计算时间；但其缺点也十分明显，设计结果对算法依赖性高，且缺乏一定的物理规律，导致其设计结果的物理可实现性较差。

近场波束聚焦的基本原理是基于非线性相位路径补偿在阵列口径的近场聚焦处实现同相相干叠加、进而综合出可与远场相比拟的波瓣图，通过建立目标函数矩阵可以加快近场聚集的速度。传统的紧缩场技术使用了带锯齿边或卷边的抛物面反射面实现了近场波束聚焦这一功能，然而其缺点是造价昂贵、设计复杂、对反射面表面平整度要求极高等。由于5G移动通信天线工作频段固定，且不需要覆盖天线非工作频段，考虑利用紧缩场反射面近场波束聚焦的原理，设计基于阵列天线的近场准平面波生成器用于5G移动通信基站与终端的天线和射频指标测量是具有极大市场价值的。

发明内容

本发明技术解决问题：克服了现有紧缩场造价昂贵、真实远场对测试距离要求较高的不足，提供一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法，具有生产成本和难度低，安装简便，频率可调，且可覆盖单个频段或多个频段的优点。

本发明技术解决方案：本发明提供的一种基于阵列天线的准平面波生成器，二维阵列天线口面、阵列天线单元和阵列天线馈电网络；所述阵列天线单元位于所述二维阵列天线口面的一侧；所述馈电天线网络分布于阵列天线单元的另一侧，用于为阵列天线单元提供所需要激励的幅度和相位信号；所述准平面波生成器能够实现在距二维阵列天线口面一定距离处(1.5倍口径尺寸为中心的圆柱形区域)形成高质量(即电场幅度变化峰峰值小于2dB，相位变化峰峰值小于15°的)准平面波静区。

进一步的，二维阵列天线口面长度和宽度的电尺寸在最低工作频率波长的10倍到100倍之间。其中，电尺寸下限由准平面波生成器能够正常工作的最小电尺寸决定，上限则由可实现工程应用的阵列天线数量及后端阵列天线馈电网络复杂性决定。

进一步的，二维阵列天线口面可以为平面也可以为曲面。

进一步的，阵列天线单元可以为周期性排列，也可为非周期性排列。在采用周期性排列时阵元间距在0.3倍最低工作频率波长到2倍最低工作频率波长之间；采用非周期排列时，阵列单元可以采用稀疏布阵，阵元间距变化范围在0.3倍最低工作频率波长到10倍最低工作频率波长之间。

进一步的，阵列天线单元为双极化天线单元，具体可以为双极化寄生贴片天线、双极化Vivaldi天线、双极化振子天线、双极化对数周期天线。且阵列天线单元在工作频段内的回波损耗小于-10dB，交叉极化小于-30dB，端口隔离度小于-25dB。其特点为利用耦合馈电、对称结构等实现低交叉极化特性，能够充分满足测试需求。

进一步的，阵列天线馈电网络用于提供阵列单元需要激励的幅度和相位信号。采用周期性排列时，位于二维阵列天线口面中心附近的阵列天线单元采用等幅同相馈电，等幅同相馈电区域长度和宽度分别为阵列天线口面长度和宽度0.3到0.7倍之间，在靠近边缘的区域采用幅度锥削和相位锥削馈电，降低阵列天线口面的边缘效应。

进一步的，阵列天线馈电网络合理分布于二维阵列天线口面背部，利用不等分Wilkinson功分网络、T型网络实现对网络不同单元激励的幅度和相位要求，获得良好的端口内匹配及端口间隔离性能，各端口回波损耗小于-10dB，隔离度小于-20dB。

进一步的，所述准平面波生成器的工作频带为0.67-1.5倍中心频率，且可根据使用频段设计对应频段的准平面波生成器，亦可设计可同时在两个或多个频段共用口面的准平面波生成器。对于每一个使用频段所用天线单元的数量在30-1000个之间。多个频段共用口面的准平面波生成器与多个单频段的准平面波生成器相比能够大大减少阵列天线数量，降低制造成本，并且在一定程度上可以减少工程应用中不同频段的准平面波生成器在使用时的重复安装和更换问题。

进一步的，不同频段天线单元的选择可以是不同的，即使同一个频段也可以采用不同形式天线单元进行组合。

进一步的，所述阵列天线单元之间布设吸波材料，用以降低阵列天线的口面与待测天线之间的耦合对测量结果的影响。吸波材料的选择多样，可为铁氧体吸波材料、电介质陶瓷希波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高分子吸波材料、纳米吸波材料。导电高分子吸波材料为树脂类、橡胶类、聚乙炔。

进一步的，所述准平面波生成器所产生的高质量准平面波静区接近圆柱形，圆柱形的中心圆形截面与阵列天线的口面平行，圆柱形的中心圆形截面距离阵列天线的口面在0.1倍天线口面长度到3倍天线口面长度之间，且在该柱形区域内静区内电场幅度误差为±1dB，相位误差为±7.5°，静区直径至少为0.5倍所述二维阵列天线口面长度，长度至少为10倍最低工作频率波长。

进一步的，所述准平面波生成器既可以安装于设定尺寸暗箱中，又可以直接应用于生产现场，对基站天线，手机天线，毫米波天线进行生产现场检测，还可以应用于真实系统工作环境中，对工作状态下系统的射频指标、天线指标进行测量。

进一步的，在测试应用中，所述准平面波生成器在暗箱或工作现场可以通过更换不同二维平面阵列更换频段。本发明既能够安装于特定尺寸暗箱中，又能够直接应用于生产现场，对基站天线，手机天线，毫米波天线进行生产现场检测，还能够应用于真实系统工作环境中，对工作状态下5G移动通信的基站和毫米波波段终端的射频指标、天线指标进行测量。

本发明的生成方法在于：依据紧缩场反射面近场波束聚焦的原理，在远小于阵列天线理论远场距离的位置上生成幅度近似相同、相位近似相等的圆柱形准平面波区域，利用惠更斯原理，通过对阵列天线单元位置和间距、激励的幅度和相位进行控制，实现在距离天线口面1.5倍口径尺寸附近形成高质量的准平面波；同时通过改变设计天线阵列口面的大小，实现所需设计频段上不同大小的准平面波静区的生成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可灵活更改设计频段，可灵活工作于5G毫米波通信的各个频段，亦可使用同一个准平面波生成器生成不同频段的目标准平面波静场区域；

(2)本发明设计原理符合物理光学规律与惠更斯原理，设计过程无需进行繁琐复杂的优化过程，且设计准平面波生成器实物结构简单，制造成本低，易于生产加工、组装调试；

(3)本发明能够在距离二维阵列天线口面1.5倍口径尺寸附近形成高质量的准平面波静区，而直接远场测试方法所需测试距离需满足

(D为阵列天线口面边长，λ为最低工作频率波长)，基于本发明的方法与直接远场测试方法相比大大缩小了测试所需空间，提高测试效率；

(4)本发明具有较高的口面效率(60％-80％)，能够生成相对较大的高质量准平面波静区；

(5)本发明的应用范围广泛，可以用于电大尺寸天线(一般指电尺寸超过10倍最低工作频率)的方向图测量、拥有电大尺寸天线的系统射频指标测量，尤其适用于5G移动通信的基站天线测量和毫米波波段终端天线和系统的测量。

总之，本发明的准平面波生成器，通过对阵列天线单元位置、激励的幅度和相位控制，依据惠更斯原理，可实现在距离二维阵列天线口面1.5倍口径尺寸附近形成高质量的准平面波静区。该准平面波生成器的应用范围广泛，可以用于电大尺寸天线的方向图测量、拥有电大尺寸天线的系统射频指标测量，尤其适用于5G移动通信的基站天线测量和毫米波波段终端天线和系统的测量。

附图说明

图1为本发明一种基于阵列天线的准平面波生成器的主要构成，其中(1)阵列天线口面、(2)阵列天线单元、(3)阵列天线馈电网络；

图2为本发明可生成的高质量准平面波静区示意图：(1)二维阵列天线口面、(4)生成圆柱形高质量准平面波静区；

图3为利用FFT进行卷积积分计算流程图；

图4为口面大小D＝20λ,阵列天线间距为0.5λ的阵列天线在1.5D处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图5为口面大小D＝40λ,阵列天线间距为0.5λ的阵列天线在1.5D处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图6为口面大小D＝80λ,阵列天线间距为0.5λ的阵列天线在1.5D处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图7为口面大小D＝20λ,阵列天线间距为λ的阵列天线在1.5D处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图8为口面大小D＝20λ,阵列天线间距为1.25λ的阵列天线在1.5D处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图9为口面大小D＝20λ,阵列天线间距为1.5λ的阵列天线在1.5D处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图10为口面大小D＝20λ,阵列天线间距为1.75λ的阵列天线在1.5D处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图11为口面大小D＝20λ、阵列天线间距为λ的阵列天线在距离口面D＝20λ、1.5D＝30λ、2D＝40λ处的横向场幅度、相位分布及轴向场幅度分布；

图12为口面大小D＝20λ、阵列天线间距为λ的阵列天线沿中心轴向场幅度的分布；

图13为口面大小D＝20λ、阵列天线间距为λ的阵列天线激励的幅度和相位分布情况优化结果；

图14为口面大小D＝20λ、阵列天线间距为λ的阵列天线均匀馈电与连续锥削分布馈电的结果比较；

图15为口面大小D＝20λ、阵列天线间距为λ的阵列天线连续锥削馈电与均匀馈电的沿中心轴向场的比较。

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、2所示，本发明的构成及生成高质量准平面波静区的示意图。本发明的构成包括：二维阵列天线口1，阵列天线单元2和阵列天线馈电网络3。本发明能够生成的如图2所示，生成圆柱形高质量准平面波静区4的区域位于距离二维天线阵列口面1的1.5倍口径尺寸附近，其中圆柱形中心截面与二维阵列天线口面平行。

本发明所选择的阵列天线单元为双极化天线，且具有较低的交叉极化。采用耦合馈电及对称结构来降低双极化阵列天线单元的交叉极化。阵列天线单元设计性能应满足：在工作频段内的回波损耗小于-10dB，交叉极化小于-30dB，端口隔离度小于-25dB。阵列天线馈电网络需要实现不同阵列天线单元对于激励的幅度和相位需求，且各通道间需要有较高的隔离度，因此采用不等分Wilkinson功分器和T型功分器结合使用以实现对不同端口不同激励幅度和相位的要求。

根据如上发明的构思，本发明采用如下的技术思路：

首先利用Matlab仿真软件设计二维阵列天线口面大小、阵列天线单元间距及数量、阵列天线布局等。本发明采用口面场卷积积分方法进行二维阵列天线近场计算，利用口面场连续锥削方法对阵列天线激励的幅度和相位进行合理配置，从而实现对二维阵列天线的口面优化设计。随后，依据Matlab仿真设计结果，利用HFSS、CST、ADS等电磁仿真软件对阵列天线单元及阵列天线馈电网络进行设计仿真。最后将设计的阵列天线单元与阵列天线馈电网络连接整合到二维阵列天线口面上，并在二维阵列天线口面阵列天线一侧紧密贴附吸波材料，即可完成该准平面波生成器的设计。

在前述技术思路中，第一部分对于二维阵列天线口面大小、阵列天线单元间距及数量、阵列天线布局的仿真设计是本发明的核心内容，在后续将会以列举优选实施例的方式进行详细说明。第二部分利用电磁仿真软件设计阵列天线单元、阵列天线馈电网络依据基本的天线理论及功分器设计原理进行，属于工程问题，本说明书将不再进行详细说明。

首先介绍利用口面场卷积积分方法进行近场计算的方法。以阵列天线口面所在平面为xoy平面建立三维直角坐标系，选取阵列天线口面中心为原点，阵列天线口面中心指向天线测试区域中心的方向为Z轴，如图2所示。

设口面上的切向电场分量为

则等效磁流

为：

上式中，

表示阵列天线口面的法线方向，此处表示与Z轴同方向的单位向量。

对于空间任意点P(x,y,z)的电矢位为：

其中，ε为媒质介电常数，此处可使用自由空间介电常数ε₀代替。D表示在需要在源点所在的整个阵列天线口面上进行积分。G为自由空间格林函数，其计算式为：

上式中：

表示坐标原点O(0,0,0)指向场点P(x,y,z)的向量，其模值为坐标原点与场点之间的距离；

表示坐标原点O(0,0,0)指向源点(x′,y′,z′)的向量，其模值为坐标原点与源点之间的距离。

表示是源点(x’,y’,z’)至场点P(x,y,z)的空间距离，k表示电磁场的传播常数，π为圆周率。

因此场点P点电场强度

可表示为：

进一步可以计算得到：

其中，

上式中，表示由源点(x′,y′,z′)指向场点(x,y,z)的单位向量，

分别为沿X、Y、Z轴三个方向的单位向量，E_Ax、E_Ay分别为口面场在X轴、Y轴方向上的分量(为方便计算，假设无Z轴方向分量)；同理，E_x、E_y、E_z分别为场点P点的电场强度在X、Y、Z轴三个方向上的分量。

因此，将

计算式展开可得到三个标量积分：

观察可知，对某一确定距离z上的观察面上的场分布，可将上述标量积分式化为二维卷积形式：

其中，f(x,y)为激励函数，g(x,y)为输出函数，h(x,y)为网络响应函数，且正比于

和g(x,y)均为空间位置函数，上述卷积为空域卷积，h(x,y)表达式为：

式中，

表示场点(x,y,z)距离坐标原点O的距离。则有：

其中，

而对于E_z(x,y,z)，可将其变化为：

由于卷积可以利用快速傅里叶变换(FFT)来快速实现，因而可以大大提高近场计算的速度。计算g(x,y)的一般流程如图3所示。首先分别对激励函数f(x,y)和网络响应函数h(x,y)做快速傅里叶变换，计算二者乘积，再对结果进行傅里叶逆变换(IFFT)即可得到输出函数g(x,y)。这种计算方法与利用直接积分方法计算口面近场分布的方法相比，在计算天线数量极多的阵列天线近场时，在计算速度方面具有极大的优势。

进一步的，若要使阵列天线在目标测试区域产生高质量的准平面波静场，需要对阵列天线的口面进行优化设计，即通过对阵列天线单元位置、激励的幅度和相位控制，从而优化口面场分布，以保证目标位置场的均匀性。本发明所采用的优化口面场分布的方法为：口面场连续锥削方法，即控制阵列天线边缘单元激励的幅度和相位按一定函数形式逐渐下降，从而削弱边缘绕射的影响。可选取的场分布函数有多种，具体可以为多项式分布函数、“1+Gauss”分布等，其特征为：中心区域场均匀分布，边缘区域场振幅和相位逐渐锥削。对于本优选实施例采用方口径阵列天线，并用多项式分布函数进行幅度和相位的锥削馈电，降低平面波区域的电场幅度和相位的抖动，口面场连续锥削函数e的形式可表示为：

上式中，A是方口径的半边长，α、β、γ为函数的三个可调参数，其具体取值方法将在后续优选实施例中进行介绍说明。上式可化为对数形式的口面场连续锥削函数，用E表示为：

上式中，K＝-20γlg(1+α^β)为锥削深度。

根据上述原理，即可利用Matlab仿真软件针对不同的频段的二维阵列天线中阵列天线的布局、数量、间距以及激励幅度和相位分别进行设计。

下面将通过优选实施例的介绍该准平面波生成器设计的具体实施方式。

(1)二维阵列天线口面大小设计

二维阵列天线的口面大小是影响该准平面生成器工作时可产生高质量的准平面波静区大小的主要决定因素之一。这里所要求的高质量准平面波静区是指在距离二维阵列天线口面1.5倍口径尺寸附近形成的圆柱形静区。可参考图2，设二维天线阵列口面的长度和宽度均为D，产生的高质量准平面波静区中心距离二维阵列天线口面中心的距离为L1，直径为d，纵向长度为L2。根据紧缩场设计经验，口面长度和宽度均为D的二维阵列天线能够在距离阵列天线口面1.5倍口径尺寸附近形成直径约为

纵向长度L2约为10倍最低工作频率波长的圆柱形静区。因此二维阵列天线口面长度和宽度的选择主要考虑工程应用中所需要生成的静区大小。此外，如前所述，二维阵列天线口面大小的应为10倍最小工作频率波长到100倍最小频率波长之间，这是由该准平面生成器能正常工作的最小电尺寸、阵列天线数量上限及阵列天线馈电网络的复杂程度综合考虑所决定的。此外，所述的高质量准平面波静区的主要评价指标为静区内电场强度的幅度误差和相位误差，即要求静区内电场强度的幅度误差为±1dB，相位误差为±7.5°。

设最小工作频率波长为λ，图4、5、6分别选取二维阵列口面大小为D＝20λ、D＝40λ、D＝80λ，阵列天线单元间距为0.5λ，利用前述口面场卷积积分方法进行近场计算的结果。参考图4、5、6可知，二维阵列天线产生准平面波静区的口面效率约为60％-80％，该结果与前述紧缩场设计经验基本吻合。此外，由图4、5、6可知：等幅同相馈电的二维阵列天线产生的静区轴线场幅度波动很大，且横向场波纹度较大。

(2)二维阵列天线数量及间距设计

二维阵列天线的疏密程度在一定程度上会影响准平面波生成器产生静区的性能，主要表现为对静区边缘性能的影响以及对静区波纹度的影响。根据阵列天线理论，对于周期性排布的阵列天线，一方面，当阵列天线单元间距小于0.5倍最小工作频率波长时，阵列天线单元间将会产生较大的互耦效应；另一方面，当阵列天线单元间距大于2倍最小工作频率波长时，会导致阵列天线方向图出现较大栅瓣。同理，对于非周期性排布的阵列天线，阵列天线单元间距应为0.5倍最小工作频率波长到10倍最小工作频率波长。所述非周期性排列的阵列天线尤指稀疏阵列天线，其依据均匀排布的阵列天线通过各种优化算法得到，因此对于阵列天线单元间距的限制不如周期性排列的阵列天线单元间距严格，可扩大至10倍最小工作频率波长。

以周期排布的口面大小为D＝20λ的二维阵列天线为例，仿真分析阵列天线间隔在0.5到2倍最低工作频率波长变化时对静区性能的影响。图7、8、9、10分别为天线阵列间距选取1、1.25、1.5、1.75倍最小工作频率波长时，即阵列天线数量分别为400、256、196、144时，利用前述口面场卷积积分方法进行近场计算的结果。与图4相比，在一定范围内阵列天线间距的增加对静区大小的影响较小，而对横向场幅度和相位及轴向场幅度均具有一定的影响。

(3)二维阵列天线口面优化设计

由图7、8、9、10可知，对于某一确定口面大小的二维阵列天线，随着阵列天线间隔在一定范围内的逐渐增大，目标静区性能将无法满足前述高质量准平面波的要求，因此需要进一步对阵列天线口面激励幅度和相位进行优化。根据前述口面场连续锥削方法设计合适的口面场幅度和相位分布函数，即对不同的阵列天线单元提供不同幅度和相位的激励。优化方法为根据目标静区性能设置目标函数，通过优化口面场连续锥削函数的各项可调参数，即可优化得到符合设计要求的阵列天线激励幅度和相位分布情况。口面场连续锥削函数包含三个可调参数，在本发明应用中，为简化设计过程，可令α＝1，β、γ为整数，且β、γ的绝对值不大于20，这一优化边界的选择主要由口面场连续锥削函数的数学特征所决定。

图11是根据口面场卷积积分法计算的二维阵列天线口面长度和宽度均为D＝20λ，阵元间距为λ(即阵列天线数量为400)的阵列天线在距离口面为D＝20λ、1.5D＝30λ、2D＝40λ时产生的绕射场横向的幅度和相位分布。

图12是同一阵列天线沿中心轴向场幅度的分布，计算区域为5～60λ。

图13为阵列天线激励幅度和相位分布情况优化结果，在本发明实施例中，优化结果为：幅度锥削函数选取参数α＝1，β＝9、γ＝-5，相位锥削函数选取参数α＝1，β＝5、γ＝-3，且设馈电最大相位为60°，其特点为：中心区域采用等幅同相馈电，等幅同相馈电区域长度和宽度电尺寸分别为二维阵列天线口面长度和宽度电尺寸的0.5倍，在靠近边缘的区域采用幅度锥削和相位锥削馈电，降低阵列天线口面的边缘效应，图13中横纵坐标分别表示二维阵列天线的长边和宽边，其每中每个方格可视为一个阵列天线单元，中心区域白色表示馈电幅度比例为1，馈电相位为60°，边缘灰色及黑色区域表示馈电幅度和相位按锥削函数变化规律逐渐减小，最终减小为0，即二维阵列天线中心馈电相位超前边缘馈电相位60°。

图14是阵列天线均匀馈电与连续锥削分布馈电的结果比较，其中图中实线部分表示利用口面场连续锥削函数设计阵列天线馈电幅度和相位，在距离阵列天线口面D＝20λ、1.5D＝30λ、2D＝40λ时产生的绕射场横向的幅度和相位分布，而虚线部分则为等幅同相馈电(即馈电幅度均为1，馈电相位均为0°)时，相同位置的绕射场横向的幅度和相位分布。可以看出由于边缘锥削的作用，阵列天线的等效口径减小，在设计时静区整体前移。

图15与图4相对应，表示距离二维阵列天线口面5～60λ时，连续锥削馈电(实线部分)与均匀馈电(虚线部分)的轴向场的比较，前者静区性能远远优于后者。

进一步的，对于阵列天线单元非周期性排布的准平面波生成器，利用稀疏阵列天线技术进行阵列天线单元分布的优化设计。

进一步的，利用HFSS、CST、ADS等仿真软件设计并仿真双极化阵列天线单元，将阵列天线单元间通过功分网络相连，形成二维阵列天线。

进一步的，设计阵列天线馈电网络。阵列天线馈电网络利用不等分Wilkinson功分器和T型功分器结合使用实现对不同端口不同激励幅度和相位的控制，其结果与前述原理设计部分相吻合。

进一步的，将设计的阵列天线及馈电网络安装在阵列天线支架上，并在阵列天线单元间紧密布设吸波材料，从而达到降低阵列天线口面与待测天线口面之间耦合的目的。

进一步的，准平面波生成器在暗箱或工作现场能够通过更换不同二维阵列天线更换频段，在5G移动通信中，频率划分为比较多的频段，比如我国在6GHz以下频段划分了3.4-3.6GHz，4.8～5.0GHz，在毫米波波段还将有新的工作频段，本发明能够采用一个固定的暗箱，通过更换不同的准平面波生成器而更换频段，这主要基于本发明的准平面波生成器为平面结构，可以整体从暗箱中抽出，然后将另一频段的准平面波生成器插入替换。

上面结合附图对本发明的初步实施例进行了描述，主要阐述了一种基于阵列天线的准平面波生成器的设计思路和设计原理，凡依据本实施例基本原理，对阵列天线选型、布局设计、安装等进行的修改、改进或其他在本实施例的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于包括：二维阵列天线口面、阵列天线单元和阵列天线馈电网络；所述阵列天线单元位于所述二维阵列天线口面的一侧；所述馈电天线网络分布于阵列天线单元的另一侧，用于为阵列天线单元提供所需要激励的幅度和相位信号；所述准平面波生成器能够实现在距二维阵列天线口面一定距离处形成高质量准平面波静区；所述准平面波生成器的工作频带为0.67-1.5倍中心频率且能够根据使用频段设计相对应频段，形成相对应频段的准平面波生成器,或形成同时在两个或多个频段共用口面的准平面波生成器；

所述阵列天线单元为周期性排列或非周期性排列；

在所述阵列天线单元采用周期性排列时，所述阵列天线单元中各阵元间距在0.3倍最低工作频率波长到2倍最低工作频率波长之间；

在所述阵列天线单元采用非周期排列时，所述阵列天线单元中阵元采用稀疏布阵，各阵元间距变化范围在0.3倍最低工作频率波长到10倍最低工作频率波长之间；

在所述阵列天线单元采用周期性排列时，位于所述二维阵列天线口面中心附近的阵列天线单元采用等幅同相馈电；所述的等幅同相馈电区域的中心基本与二维阵列口面中心重合，且该区域的形状与二维阵列天线口面形状基本相同；所述的等幅同相馈电区域的长度和宽度可以在与之平行的二维阵列口面的边长的0.3-0.7倍最低工作频段波长之间变化；除去所述的等幅同相馈电区域外，在靠近边缘的区域采用幅度锥削和相位锥削馈电，降低阵列天线口面的边缘效应。

2.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述二维阵列天线口面的长度和宽度的电尺寸在最低工作频率波长的10倍到100倍之间。

3.根据权利要求1或2所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述二维阵列天线口面为平面或为曲面。

4.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所形成的高质量准平面波静区接近圆柱形，圆柱形的中心圆形截面与所述二维阵列天线口面平行，所述圆柱形的中心圆形截面距离所述二维阵列天线口面在0.1倍到3倍的所述二维阵列天线口面长度之间。

5.根据权利要求4所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：可形成的高质量准平面波静区性能为：静区内电场幅度误差为±1dB，相位误差为±7.5°，静区直径至少为0.5倍所述二维阵列天线口面长度，长度至少为10倍最低工作频率波长。

6.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述阵列天线单元为双极化天线单元。

7.根据权利要求6所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述双极化天线单元为双极化寄生贴片天线、双极化Vivaldi天线、双极化振子天线或双极化对数周期天线。

8.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述阵列天线单元中，各阵元之间布设吸波材料，降低所述二维阵列天线口面与待测天线之间的耦合对测量结果的影响。

9.根据权利要求8所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述吸波材料为铁氧体吸波材料、电介质陶瓷吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高分子吸波材料、纳米吸波材料。

10.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述阵列天线馈电网络，利用不等分Wilkinson功分网络、T型功分网络实现对不同阵列天线单元激励的幅度和相位要求，并且获得良好的端口内匹配及端口间隔离性能。

11.根据权利要求10所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述不等分Wilkinson功分网络、T型功分网络各端口回波损耗小于-15dB,端口隔离度小于-20dB。

12.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：对于每一个使用频段，所述阵列天线单元中的数量范围为30-1000个。

13.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：不同频段，阵列天线单元的选择可以是不同的，即使同一个频段也可以采用不同形式阵列天线单元进行组合。

14.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述准平面波生成器既能够安装于特定尺寸暗箱中，又能够直接应用于生产现场，对基站天线，手机天线，毫米波天线进行生产现场检测，还能够应用于真实系统工作环境中，对工作状态下5G移动通信的基站和毫米波波段终端的射频指标、天线指标进行测量。

15.根据权利要求1所述的基于阵列天线的准平面波生成器，其特征在于：所述准平面波生成器在暗箱或工作现场能够通过更换不同二维阵列天线更换频段。

16.一种使用权利要求1所述的基于阵列天线的平面波生成器进行平面波生成的方法，其特征在于：所述平面波生成方法依据紧缩场反射面近场波束聚焦的原理，在远小于阵列天线理论远场距离的位置上生成幅度近似相同、相位近似相等的圆柱形准平面波区域，根据惠更斯原理，通过对阵列天线单元位置和间距、激励的幅度和相位进行控制，实现在距离天线口面1.5倍口径尺寸附近形成高质量的准平面波；同时通过改变设计天线阵列口面的大小，实现所需设计频段上不同大小的准平面波静区的生成。