CN110988501B - 一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统，包括一个基于可移动阵列天线的平面波生成器、一个屏蔽暗箱、完整的暗箱内吸波材料和屏蔽设计、一个开合式被测设备支架、一台调幅调相网络、一台工控机、一台矢量网络分析仪，通过对阵列天线单元位置、激励的幅度和相位控制，以及对阵列天线位置的N(N≥1)次调整并通过信号合成算法处理，在距离二维阵列天线口面1倍口径尺寸附近区域形成高质量的虚拟平面波静区。该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的产线快速测量和毫米波波段终端天线和系统的测量。

Description

一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生 成器测量系统

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、以及自动控制技术领域，尤其涉及5G移动通信基站天线系统产线测量领域，具体内容为一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统。

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。

虚拟平面波静区合成技术的基本原理是基于矢量叠加原理，通过移动高度稀疏化的平面波生成器阵列，在不同位置产生预先设计好的所需信号，最后由算法合成形成等效的平面波静区，或直接产生等效的测量结果值。传统的平面波生成器技术使用全阵列、密布阵列设计方案，导致阵列单元数量多，馈电网络复杂，工程实现复杂度高等缺点。针对于5G移动通信基站天线产线测试需求，考虑利用虚拟平面波静区合成技术，设计一套完成的近场的天线测试系统，可在满足测试指标要求的情况下，有效降低阵列单元数量、造价以及系统复杂度，因此基于可移动阵列天线的近场平面波生成器系统用于5G移动通信基站与终端的产线测试是具有极大市场价值的。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有的天线系统测试环境的限制，如：紧缩场造价昂贵、真实远场对测试距离要求较高，提供了一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统，该系统拥有基于高度稀疏化阵列的平面波生成器，阵列单元数为同类阵列的1/(N+1)(N≥1)，将系统造价和复杂度将至最低，并将整个测试系统整合在一个1.6m*1.6m*2.4m的暗箱中，暗箱方便移动和被测件的更换；且该系统具有频率覆盖单个频段或多个频段且可调、性能优秀、结构简单、生产成本和难度低，安装简便的优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统，包括：基于可移动阵列天线的平面波生成器、暗箱屏蔽壳体、暗箱内吸波材料和屏蔽设计、开合式被测设备支架、调幅调相网络、工控机(包含信号合成算法)、矢量网络分析仪、被测设备；所述基于可移动阵列天线的平面波生成器，包括：一个二维阵列天线口面、阵列天线单元、阵列天线馈电网络、传动测量装置；所述暗箱屏蔽壳体构成本发明的暗箱测试环境和外形，暗箱截面形状包括但不限于长方体，也可是楔形、圆形等，暗箱两侧墙箱体上分别设置有两扇可以开合的门窗设施，用于安装了所述平面波生成器设备以及所述被测设备支架；所述暗箱内吸波材料和屏蔽设计，包括箱体吸波材料设计、通风设备的吸波材料和屏蔽设计、射频电缆和控制线吸波材料和屏蔽设计、以及各支撑设备的吸波材料设计，且吸波材料类型可以是尖锥形、楔形和平板式等形式；所述开合式被测设备支架安装于箱体一侧墙面上，用于方便地安装被测设备，包括针对不同被测设备的定位和固定工装；所述调幅调相网络用于对阵面单元配置不同的馈电幅、相权值，由衰减器、调相网络、功分网络和控制部分构成，外部由工控机给予信号控制；所述矢量网络分析仪用于发射和接收特定的测试信号，将测量数据传输给所述工控机进行信号处理；

进一步的，基于可移动阵列天线的平面波生成器，包括二维阵列天线口面、阵列天线单元、阵列天线馈电网络、传动测量装置及信号合成算法。前述阵列天线单元位于所述二维阵列天线口面一侧；所述天线馈电网络分布于阵列天线口面的背面一侧，与阵列天线每个单元连接，用于为阵列天线单元提供所需要激励的幅度和相位信号；所述传动测量装置也位于阵列天线口面的背面一侧，在测量过程中配合控制阵列天线在其所在平面内的N(N≥1)次特定移动，并完成信号测量；所述信号合成算法对阵列天线N次特定移动所发射或接收的不同矢量信号进行综合处理，最终形成所设计的虚拟平面波静区并呈现最终测试结果。

进一步的，虚拟平面波静区是一种基于一系列的信号处理算法合成的虚拟测试信号区域，不似传统意义上的平面波生成器或者紧缩场所产生的实际存在的平面波静区区域，它并不实际存在。但是引入了矢量信号合成技术后，在该虚拟测试信号区域内对基站天线的指标测试结果与传统静区的测试一致，并且在物理意义上虚拟静区与真实静区并无区别，因此沿用真实静区的评估指标描述虚拟静区的性能。

进一步的，二维阵列天线口面长度和宽度的电尺寸不大于8倍最低工作频率波长。其中，电尺寸下限由平面波生成器能够正常工作的最小电尺寸决定，上限则由工程实现的复杂性决定。

进一步的，矢量信号合成技术的引入，利用高度稀疏的可移动阵列代替密布阵列，使得阵列天线单元数降低为密布阵列的1/(N+1)(N为阵列天线的移动次数，N≥1),对于每一个工作频段所用天线单元的数量在1-100个之间。

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。无论采用周期性排列还是非周期排列，阵元间距均在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，阵列天线单元为单极化或双极化天线单元，具体可以为单极化(或双极化)寄生贴片天线、单极化(或双极化)Vivaldi天线、单极化(或双极化)振子天线、单极化(或双极化)对数周期天线、单极化(或双极化)(脊)波导天线。阵列天线单元在工作频段内的回波损耗小于-10dB，其中双极化天线的交叉极化小于-30dB，端口隔离度小于-25dB。

进一步的，阵列天线馈电网络包括调幅调相网络、开关网络、功分网络，用于提供阵列单元需要激励的幅度和相位信号，以及切换极化方向。二维阵列天线在每次移动到一个新位置进行测量之前，都通过工控机控制馈电网络对阵列天线单元配置新的幅度、相位权值。

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及外部，利用调幅调相网络、不等分Wilkinson功分网络或T型网络实现对天线单元不同幅度和相位的馈电要求，同时获得良好的端口匹配及端口隔离性能，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，且能够根据要求设计不同的中心频率，形成满足要求的相对应频段的平面波生成器,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。多个频段共用口面的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天线形式可以是不同的，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。

进一步的，所述平面波生成器所产生的高质量虚拟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，纵深至少为10倍最低工作频率波长。

进一步的，所述平面波生成器既可以安装于特定尺寸暗箱中，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。该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。

本发明的原理在于：本发明是一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统。该平面波生成器依据矢量叠加原理，通过二维阵列天线在不同位置处产生不同的矢量信号，在远小于阵列天线理论远场距离的位置上通过矢量叠加的方式生成幅度近似相同、相位近似相等的圆柱形虚拟平面波区域。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设计，实现在距离天线口面1倍口径尺寸附近形成高质量的虚拟平面波；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虚拟平面波静区的生成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用稀疏化阵列设计，能够在距离二维阵列天线口面1倍口径尺寸附近形成高质量的虚拟平面波静区，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)。基于本发明所采用的的稀疏化阵列技术和虚拟静区合成，将整个测量系统设计在尺寸为1.6m(长)*1.6m(宽)*2.4m(高)的可移动暗箱设备中，大大缩减了测试场地要求，且暗箱作为设备可方便移动，大大提高测试效率，节省了设备成本投入；

(2)本发明在稀疏化阵列的基础上，引入虚拟静区合成技术，采用可移动阵列的方案，替代现有密布阵列布局方案，将阵列单元数量减小到同类指标平面波生成器阵列单元数的1/(N+1)，其中N为阵列天线测试过程中的移动次数，大大降低了天线测试暗箱系统的造价和复杂度；

(3)本发明可灵活更改设计频段，可通过阵面调换和单元馈电幅、相权值的配置，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虚拟平面波静区；

(4)本发明设计原理符合惠更斯原理和矢量叠加原理，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；

(5)本发明的平面波生成器，通过对阵列天线布局拆分、单元位置、激励的幅度和相位控制优化，依据惠更斯原理、叠加原理，可实现在距离二维阵列天线口面1倍口径尺寸附近形成高质量的虚拟平面波静区；

(6)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；

(7)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产线测量和毫米波波段终端天线和系统的产线测量。

附图说明

图1为本发明一种基于可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统的主要构成，其中，1为屏蔽暗箱、2为暗箱内吸波材料和屏蔽设计、3为基于可移动阵列天线的平面波生成器(详细构成见图2)、4为开合式被测设备支架、5为调幅调相网络、6为工控机(包含信号合成算法)、7为矢量网络分析仪、8为被测设备；

图2为图1所述系统中基于可移动阵列天线的平面波生成器3的详细构成，其中，21为阵列天线口面、22为阵列天线单元、23为阵列天线馈电网络、24为传动测量装置；

图3为本发明可生成的高质量虚拟平面波静区示意图，其中，31为二维阵列天线口面、32为生成圆柱形高质量虚拟平面波静区；

图4为利用FFT进行卷积积分计算流程图；

图5为虚拟静区合成原理示意图，其中，51为等效二维阵列天线(Array_virtual)、52为实际二维阵列天线口面(Array_actual)、53为等效二维阵列天线全阵面中的单元、54为实际二维阵列天线的单元、55为虚拟静区；

图6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7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8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9为本发明优选实施例的等效阵列(Array_virtual)的布局和真实阵列(Array_actual)的选取示意图，其中等效阵列(Array_virtual)包含图中所有单元为14(竖向)*9(横向)布局，真实阵列(Array_actual)选取其中Array 1部分，其与Array 2布局完全相同，通过Array 1沿纵向平移即可得到Array 2；

图10为基于口面卷积积分以及全局优化算法在理想边界条件下优化出的等效阵面在1倍口径距离处静区幅、相分布图；

图11为将图8中优化参数结果引入拆分后真实阵列(Array_actual)得到的全波仿真虚拟静区幅、相分布；

图12为对拆分后真实阵列(Array_actual)馈电幅、相权值做进一步优化后全波仿真虚拟静区幅、相分布；

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、2、3所示，本发明的系统构成和所产生的高质量虚拟平面波静区示意图。本发明的系统构成包括：暗箱屏蔽壳体1、暗箱内吸波材料和屏蔽设计2、基于可移动阵列天线的平面波生成器3、开合式被测设备支架4、调幅调相网络5、工控机6(包含信号合成算法)、矢量网络分析仪7、被测设备8；其中基于可移动阵列天线的平面波生成器3的具体构成如图2所示，包括：二维阵列天线21口面，阵列天线单元22、阵列天线馈电网络23和传动测量装置24。本发明能够产生的高质量虚拟平面波圆柱形区域32位于距离二维天线阵列口面31的1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，并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。在天线单元之间铺设吸波材料，以减小单元间互耦以及多次反射效应。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。阵列天线馈电网络采用调幅调相网络、开关网络和功分网络组合的形式，实现对阵列天线各单元按照幅度和相位需求馈电，且通过调幅调相网络、开关网络以及功分器网络的各自通道隔离设计，各通道间形成较高的隔离度。

根据如上发明的构思，本发明采用如下的技术思路：

首先，对于二维阵列天线全阵列口面大小、阵列天线单元间距及单元数量、和阵列天线布局优化等方面的设计，采用Matlab与CST联合仿真的方式进行。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，利用全局优化算法、联合仿真法对单元幅度和相位进行合理配置，从而实现二维阵列天线的口面设计；其次，对于本发明所引入的矢量信号合成(虚拟静区合成)技术，为了达到大大减少阵列单元数的目的，需要对阵列的分离布局进行进一步仿真，首先是对矢量合成虚拟静区的理论验证，然后是分离阵列之后导致边界条件的变化，引起阵列单元间互耦变化，从而对单元馈电幅、相权值做进一步仿真调整；然后，对于阵列天线单元及阵列天线馈电网络的设计仿真；最后，阵列天线口面、馈电网络整合在一起的系统级全波仿真。并在暗室环境对二维阵列天线口面阵列天线的测试验证，最终完成该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全阵列口面大小、阵列天线单元间距、数量以及分离阵列天线布局的仿真设计，为本发明的核心内容，给出设计方法和理论的详细概述说明。第二部分对于阵列天线单元、阵列天线馈电网络的仿真设计，依据基本的天线理论及功分器设计原理进行，以及暗室环境的测试验证部分属于工程问题，本说明书将不再进行详细说明。

首先对于二维阵列天线全阵列口面大小、阵列天线单元间距、数量的仿真设计，利用了口面场卷积积分方法进行近场计算，利用数值方法对近场的场点幅度和相位值进行了分布计算，并利用优化算法优化单元间距和单元数量联动关系，得出给定限制条件下的优化结果。

以阵列天线口面所在平面为xoy平面建立三维直角坐标系，选取等效阵列天线(Array_virtual)口面中心为原点，等效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。G为自由空间格林函数。

因此P点电场强度可表示为：

其中，G为自由空间格林函数，其计算式为：

上式中：

是源点(x′，y′，z′)至场点(x，y，z)的空间距离，k表示电磁场的传播常数。

进一步可以计算得到：

其中，

上式中，

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、y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，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

f(x，y)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，

由于卷积积分可以利用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4所示。

进一步的，本发明不以传统密布全阵列的方式直接产生平面波静区，为了大幅度降低所使用的单元数量，引入了矢量信号合成(虚拟静区合成)技术，以传统全阵列的一个子阵作为该平面波生成器的阵面代替全阵列进行信号的发射或接收，该子阵通过位移的方式补全等效阵列中所有位置单元发射或接收的信号，并且通过矢量叠加的方法合成虚拟平面波静区和最终的测试结果。因此，子阵在完成所有指定位移和测试之后，形成的测试结果等同于等效密布阵列的测试结果，并且将单元数量缩减为全阵列的1/(N+1)，其中N≥1，为测试过程中阵列移动次数。

如图5所示，为基于可位移阵列的虚拟静区合成原理示意图，其中三位坐标系的选取同图4，以等效阵列天线(Array_virtual)口面所在平面为XOY平面建立三维直角坐标系，选取等效阵列天线(Array_virtual)口面中心为原点，等效阵列天线口面中心指向天线测试区域中心的方向为Z轴。以阵列N＝4次移动为例，当实际阵列(Array_actual)处于位置1处，对各位单元配置幅度、相位权值为W₁，在虚拟静区中心截面产生的电场分布为E_p1(x，y)，被测设备在该电场分布的激励下的响应为S₁＝E_p1(x，y)*H(x，y)，其中H(x，y)为系统函数，对于LTI系统，不随时间及激励的变化而变化，只与频率相关，此处考虑单频情况，仅视其为空间位置坐标(x，y)的函数。因此，当实际阵列(Array_actual)处于位置2处，对各单元配置幅度、相位权值为W₂，在虚拟静区中心截面产生的电场分布为E_p2(x，y)，被测设备所处位置未发生变化，其在该电场分布的激励下的响应为S₂＝E_p2(x，y)*H(x，y)，同理当实际阵列(Array_actual)处于位置3和4处时，得到的被测设备响应为S₃＝E_p3(x，y)*H(x，y)和S₄＝E_p4(x，y)*H(x，y)，因此，根据矢量叠加原理，对被测设备的响应进行叠加，得到总响应：

该响应函数亦可写成：

将该响应函数拓展成实际阵列(Array_actual)N次移动后的结果，为：

其中，

恰恰相当于图4中右侧等效阵列(Array_virtual)所有单元同时按照相应的单元激励(W₁，W₂，W₃，…，W_N)所产生的实际静区，即：

其中，E_QZ为等效阵列(Array_virtual)产生的传统意义上的实际静区，E_{∑_virtual}为实际阵列通过移动N次位置，所产生的虚拟合成平面波静区，二者对于LTI设备的测试结果，从物理意义上是完全等效的。

因此，可以利用这样的虚拟平面波静区对基站天线系统(LTI系统)进行性能测试。同时，亦沿用传统平面波静区的指标参数，对该虚拟合成平面波静区进行性能描述和评估。

根据上述原理，即可利用Matlab联合CST等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基于可移动阵列的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平面生成器工作时可产生的虚拟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倍口径尺寸附近形成的圆柱形静区。可参考图3，设二维天线阵列口面的长度和宽度均为D，产生的高质量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的二维等效阵列天线(Array_virtual)能够在距离阵列天线口面1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。因此二维等效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，二维等效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，这是由该平面生成器能正常工作的最小电尺寸及阵列天线成本和复杂程度综合考虑所决定的。此外，所述的高质量平面波静区的主要评价指标为虚拟合成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6、7、8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6、7、8可知，二维阵列天线产生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6、7、8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以及单元馈电幅度、相位权值的优化设计

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。

该发明的等效阵列(Array_virtual)采取非周期性排列布阵。一方面，本发明旨在使用较少单元的小阵列，形成与等效大阵列天线等效的虚拟平面波静区，对于方面提取出实际阵列(Array_actual)的等效阵列布局为该实施例重点关注的阵列排布方式；另一方面考虑到，当所要求的静区非圆柱形静区，如类似长方体或椭圆柱静区，那么在阵列天线的长度和宽度方向，单元间距也不一样。这样的选择有利于阵列稀疏化，减少单元数量。

对于某一确定口面大小的二维阵列天线，随着阵列天线单元数量、间隔大小在一定范围内变动，必然引起目标静区性能波动，它们与阵列天线口面激励幅度和相位四者之间存在动态联系，因此需要使用全局优化算法对这些参数进行综合联动优化。根据前述口面场卷积积分法计算的二维阵列天线口面在1倍口径处产生的电场分布，以该场分布作为直接优化目标，分别优化阵列单元的横、纵向间距，横、纵向单元数、以及各单元馈电权值。

本发明的实施例中，等效阵列的具体优化结果为：二维阵列的工作频段为2.4GHz-3.8GHz，且通过配置不同的单元馈电幅、相权值实现频段可调，二维阵列选用14(竖向)*9(横向)的单元布局，阵列单元采用非周期布局，横向和竖向间距均不相等，如图9所示。

(3)二维阵列天线拆分后单元馈电幅度、相位权值的优化调整

本发明旨在使用较少单元的小阵列，形成与等效大阵列等效的虚拟平面波静区。前述优化设计主要针对等效阵列(Array_virtual)所产生实际静区指标而言，那么对于实际阵列(Array_actual)，它是从等效阵列中提取出来的，但是由于单元间距、位置关系以及布局都与原来的等效阵列(Array_virtual)存在差距，这致使实际阵列(Array_actual)单元边界条件以及互耦情况发生改变，因此需要对实际阵列在各个测量位置处的馈电权值进行进一步联合仿真优化，才能使得最终的虚拟静区指标更优。

本发明的实施例中，实际阵列的优化选取为：如图9所示，从等效阵列优化选取Array1作为实际平面波生成器二维阵列口面布局，即为7(竖向)*9(横向)的阵列单元布局，该二维阵列口面尺寸为1m*1m，口面尺寸不超过8倍最小工作波长。其中Array 1对应于实际测试过程中平面波生成器二维阵列的测试位置1，Array 2由Array 1沿纵向向上平移86.5mm实现，Array 2对应于实际测试过程中平面波生成器二维阵列的测试位置2；

该平面波生成器产生的虚拟平面波静区位置为距离二维阵列口面1m处，相当于1倍阵列口径尺寸，产生虚拟平面波静区尺寸为850mm(纵向)*550mm(横向)*1m(纵深)，静区内电场强度的幅度误差为±1dB，相位误差为±7.5°。

如图10、11、12所示，图10为基于口面卷积积分以及全局优化算法在理想边界条件下优化出的等效阵面在1倍口径距离处静区指标非常优秀，但是如图11，对将该优化的馈电权值直接应用于拆分后真实阵列的全波仿真设计中可以看出，边界条件的变化引起了静区指标的恶化，再如图12，拆分后阵列边界条件变化引起互耦变化，对真实阵列馈电权值做了进一步优化后，静区指标得到改善。

(4)本发明的实施例中，测试流程描述

本发明的实施例中，等效二维阵列单元布局采用14(竖向)*9(横向)的布局形式，阵列单元间距采用非周期稀疏化处理，横向和竖向间距均不相等，如图9所示；而平面波生成器的二维实际阵列的优化选取为图9所示等效阵列中的Array 1部分，为7(竖向)*9(横向)的阵列单元布局，该二维阵列口面尺寸为1m*1m，口面尺寸不超过8倍最小工作波长。

在测试过程中，首先打开开合式被测设备支架窗口4，利用被测设备支架的定位和固定工装将被测设备固定，按照图1连接射频电缆和控制线，关好开合式被测设备支架窗口4；由工控机6控制传动测量装置24，使平面波生成器阵列21位于测试位置1，该过程中同时由工控机6控制调幅调相网络5，对平面波生成器阵单元21配置馈电幅、相权值W₁，然后由工控机6控制矢量网络分析仪7检测信号并传递测试数据Data1，而后，由工控机6控制传动测量装置24，使平面波生成器阵列21位于测试位置2，该过程中同时由工控机6控制调幅调相网络5，对平面波生成器阵单元21配置馈电幅、相权值W₂，然后由工控机6控制矢量网络分析仪7检测信号并传递测试数据Data2；完成以上测试步骤后，测试过程即完成，此时工控机6内置信号合成算法处理并输出测试结果及曲线，测试完成。

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，需要设计特定的测试控制软件和信号合成算法，控制传动测试装置、仪表数据采集、馈电网络协调配合，完成阵列天线的移动、数据采集、及结果输出流程。

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，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，即通过阵列天线更换以及馈电幅、相的权值的配置，能够适应广泛的频率范围和静区大小要求。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可移动阵列天线的应用于基站天线产线的平面波生成器测量系统的设计思路、原理以及测试流程和方法，凡依据本实施例基本原理、实施过程、测试流程和方法，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 (9)

1.一种基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，其特征在于：包括基于可移动阵列天线的平面波生成器(3)、屏蔽暗箱(1)、暗箱内吸波材料和屏蔽设计(2)、开合式被测设备支架(4)、调幅调相网络(5)、工控机(6)、矢量网络分析仪(7)和被测设备(8)；所述基于可移动阵列天线的平面波生成器(3)包括：一个二维阵列天线口面(21)、阵列天线单元(22)、阵列天线馈电网络(23)、传动测量装置(24)；所述屏蔽暗箱(1)构成系统的暗箱测试环境和外形，暗箱截面形状为方形、楔形或圆形，暗箱两侧墙箱体上分别设置有两扇可以开合的门窗设施，用于安装所述平面波生成器(3)以及所述被测设备支架(4)；所述暗箱内吸波材料和屏蔽设计(2)，包括箱体吸波材料设计、通风设备的吸波材料和屏蔽设计、射频电缆和控制线吸波材料和屏蔽设计、以及各支撑设备的吸波材料设计，且吸波材料类型是尖锥形、楔形和/或平板式；所述开合式被测设备支架安装于箱体一侧墙面上，用于方便地安装被测设备，包括针对不同被测设备的定位和固定工装；所述调幅调相网络(5)用于对阵面单元配置不同的馈电幅、相权值，由衰减器、调相网络、功分网络和控制部分构成，外部由工控机给予信号控制；所述矢量网络分析仪(7)用于发射和接收特定的测试信号，将测量数据传输给所述工控机；所述工控机(6)用于控制所述传动测量装置、所述调幅调相网络(5)和所述矢量网络分析仪(7)，用于协调每次测量过程中的所述平面波生成器(3)阵列天线的移动、所述调幅调相网络(5)的馈电幅、相权值配置、以及所述矢量网络分析仪(7)测量信号的设置、发射和接收及测量数据的传递，并利用内置的核心信号合成算法对矢量网络分析仪(7)的测量数据进行分析和处理，呈现测量结果；

所述二维阵列天线口面为一个高度稀疏化阵列，单元数不多于其它同类同指标平面波生成器(3)阵列单元数的1/(N+1)，其中N为二维阵列天线测试过程中所移动的次数，对于每一个设计频段，所述阵列天线的单元数量范围为1-100个；所述阵列天线单元位于所述二维阵列天线口面上；所述阵列天线馈电网络分布于阵列天线单元的背部，用于为阵列天线单元提供所需要激励的幅度和相位信号；所述传动测量装置位于阵列天线的背部，用于配合控制阵列天线测试时在其所在平面内的N次特定移动，N≥1；所述信号合成算法用于对阵列天线N次特定移动所发射或接收的不同矢量信号进行综合处理，最终形成所设计的虚拟静区；所述平面波生成器(3)能够实现在距二维阵列天线口面1倍口径尺寸为中心的圆柱形区域形成电场幅度变化峰峰值小于±1dB，相位变化峰峰值小于±7.5°的高质量虚拟平面波静区。

2.根据权利要求1所述的基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，其特征在于：所述二维阵列天线在测量时并非直接产生平面波静区，而需通过传动测量装置控制在其口面所在平面内进行特定次数和特定方式的移动，且移动方式是所在平面内的任意矢量方向的移动，并引入虚拟平面波静区合成技术，通过信号合成算法合成出虚拟平面波静区；所述虚拟平面波静区不似传统意义上的平面波生成器或者紧缩场所产生的实际存在的静区区域，而是一种基于一系列的信号处理算法合成的虚拟测试信号区域，它并不实际存在，但是其对于基站天线的指标测试结果与传统平面波静区的测试并无差别，同样可以用传统静区的评估指标描述其性能。

3.根据权利要求1所述的基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，其特征在于：所述平面波生成器(3)采用二维阵列天线在N个位置测量结果叠加的方式取代一次测量方式，N≥1，对阵列天线单元布局进一步稀疏化，将阵列单元数量降低为原阵列的1/(N+1)；所述二维阵列天线在每次移动后，测量系统都进行一次信号测量，且每次测量之前，阵列天线单元都重新配置幅、相权值；所述二维阵列天线在完成所有指定的移动和测量之后，由信号合成算法处理得出最终的测量结果。

4.根据权利要求1所述的基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，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不大于最低工作频率波长的8倍，相较于普通平面波生成器阵列天线的10倍最低工作频率波长以上的口面尺寸，阵面尺寸得到缩减。

5.根据权利要求1所述的基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，其特征在于：所述二维阵列天线口面为平面或为曲面，其单元排布方式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；当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范围。

6.据权利要求1所述的基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，其特征在于：可形成的虚拟平面波静区为近似圆柱体、近似椭圆柱体、或近似长方体，且静区的轴向中心截面与所述二维阵列天线口面平行，所述静区的轴向中心截面距离所述二维阵列天线口面在0.1倍所述二维阵列天线口面长度到3倍之间。

7.根据权利要求1所述的基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，其特征在于：可形成的高质量虚拟平面波静区性能为：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，静区纵深至少为10倍最低工作频率波长。

8.根据权利要求1所述的基于可移动阵列天线的平面波生成器的应用于基站天线产线的测量系统，其特征在于：所述阵列天线单元为单极化或双极化天线单元，所述单极化或双极化天线单元为单极化或双极化寄生贴片天线、单极化或双极化Vivaldi天线、单极化或双极化振子天线、单极化或双极化对数周期天线或单极化或双极化脊波导天线；

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，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或纳米吸波材料；

所述阵列天线馈电网络，由幅相调控网络、功分网络和开关矩阵构成，实现对天线单元不同极化方向的单元激励的幅度和相位要求；

所述平面波生成器的工作频带为0.67～1.5倍中心频率，且能够根据要求设计不同的中心频率，形成满足要求的相对应频段的平面波生成器,或形成同时在两个或多个频段共用口面的平面波生成器；对于不同频段，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；

所述平面波生成器(3)既能够安装于特定尺寸暗箱中，又能够直接应用于产线，对基站天线，手机天线，毫米波天线进行产线检测，且能够在暗箱或工作现场能够通过更换不同二维阵列天线或者更换单元馈电幅、相权值来更换频段。

9.一种基于可移动阵列天线的虚拟平面波生成方法，其特征在于：所述虚拟平面波生成方法依据矢量叠加原理，通过二维阵列天线在不同位置处产生不同的矢量信号，基于高度稀疏化阵列的平面波生成器，阵列天线单元数为同类阵列的1/(N+1)，N≥1，在测量过程中配合控制阵列天线在其所在平面内的N次特定移动，并完成信号测量；在远小于阵列天线理论远场距离的位置上通过矢量叠加的方式生成幅度近似相同、相位近似相等的圆柱形虚拟平面波区域；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设计，实现在距离天线口面1倍口径尺寸附近形成高质量的虚拟平面波，具体为：

(1)二维阵列天线口面大小设计

阵列天线单元位于二维阵列天线口面上，设二维阵列天线口面的长度和宽度均为D，产生的高质量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的二维等效阵列天线能够在距离阵列天线口面1倍口径尺寸附近形成直径约为

纵向长度L2为10倍最低工作频率波长的圆柱形静区；二维等效阵列天线口面的大小应为10倍最小工作频率波长到100倍最小频率波长；

(2)二维阵列天线数量及间距以及单元馈电幅度、相位权值的优化设计

等效阵列采取非周期性排列布阵；二维阵列的工作频段为2.4GHz-3.8GHz，且通过配置不同的单元馈电幅、相权值实现频段可调，横向和竖向间距均不相等；

(3)二维阵列天线拆分后单元馈电幅度、相位权值的优化调整

实际阵列的优化选取为：竖向乘以横向为7*9的阵列单元布局，该二维阵列口面尺寸为1m*1m，口面尺寸不超过8倍最小工作波长；

该平面波生成器产生的虚拟平面波静区位置为距离二维阵列口面1m处，相当于1倍阵列口径尺寸，产生虚拟平面波静区尺寸为纵向乘以横向乘以纵深为850mm*550mm*1m，静区内电场强度的幅度误差为±1dB，相位误差为±7.5°；

根据矢量叠加原理，引入虚拟静区合成技术，高度稀疏化阵列单元，大大减少了阵列所使用的单元数；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虚拟平面波静区的生成。

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