CN111029792B - 一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列。该阵列由小型化双极化探头天线、角锥吸波材料、射频线缆和幅相控制网络构成。其中，双极化探头天线结构紧凑，具有小型化的特点，其探头天线本身散射较低。探头天线尾部地板为角锥吸波材料，角锥吸波材料和探头天线组成一个阵列单元，从而得到低散射的阵列单元。修正棋盘结构阵列单元在Z轴的位置关系由被测天线入射到平面波模拟器口面的近场相位分布决定，修正棋盘结构阵列单元天线馈电修正补偿值由幅相控制网络进行配置，从而使得该修正棋盘结构阵列在非平面波入射下散射水平相较传统棋盘结构阵列散射水平更低，有效抑制平面波模拟器和被测天线之间的多次反射。

Description

一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列，该修正棋盘结构阵列可以对近场平面波模拟器进行布阵，有效降低近场平面波模拟器与被测天线之间的多次反射。

背景技术

平面波模拟器可以在近场距离使用远场的原理对天线进行直接测量，而无需对测试数据进行近远场变换后处理。其基本原理是通过一个阵列及其幅相控制网络在一个较近的近场距离合成一定尺寸的准平面波，该准平面波尺寸可以覆盖被测天线的口径范围，而该准平面波的波纹度能够满足被测天线的远场测试条件。

与传统的天线测试场诸如远场、紧缩场和近场相比，平面波模拟器具有相对综合的优势。在建造尺寸方面，平面波模拟器小于远场和紧缩场，这样将极大地节省场地建设费用，有效降低测试场成本。在测试效率方面，其与远场和紧缩场一样，比近场测试方式略慢，仍然是通过线扫描的方式进行测量，不能进行快速的三维方向图测量。在链路损耗方面，平面波模拟器小于远场和紧缩场，其有利于功率较低的射频信号测量。在测试方式方面，平面波模拟器和远场、紧缩场一样可以直接对天线远场指标进行测量，而无需近远场变换。而近场测量的方式需要使用参考相位对近场扫描得到的数据进行近远场变换，敏感的相位恢复技术不利于调制信号的测量。

但是由于平面波模拟器与被测天线距离较近，当被测天线口径较大时，在平面波模拟器和被测天线之间将发生严重的多次反射，多次反射引入的干扰信号将影响测量的精度。德国罗德施瓦茨公司在国内申请的专利CN 107918068 A中提到了一种用于在一定距离中产生和/或接收平面波的天线阵列，但并未对平面波模拟器的低散射特性进行深入阐述。棋盘结构阵列是一种有效的散射抑制方式，电子科技大学申请的专利CN107591617 A中提到了一种混合AMC棋盘形结构加载的SIW背腔缝隙天线，其棋盘结构的阵列有效抑制了后向散射，但是其棋盘结构抑制的是远场的散射值。而平面波模拟器所关注的是其近场散射值，因此近场条件下，棋盘结构需进行修正才能更加有效地抑制散射。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列设计，实现了降低平面波模拟器近场散射水平，抑制平面波模拟器与被测天线间多次反射的特点。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列，修正棋盘结构阵列由小型化双极化探头天线、角锥吸波材料、射频线缆和幅相控制网络构成，探头天线尾部地板为角锥吸波材料，阵列的修正阵列辐射单元由一个探头天线和多个角锥吸波材料角锥单元组成或由多个探头天线和多个角锥吸波材料角锥单元组成，各阵列单元在Z向排布为交错的修正棋盘结构，交错的修正棋盘结构计算方法为通过目标棋盘结构反射相位值分布减去平面波模拟器入射场分块相位均值，修正棋盘结构阵列单元天线馈电修正补偿值由幅相控制网络进行配置。

其中，双极化探头天线结构紧凑，具有小型化的特点，其口径宽度为0.5～0.75倍中心频率对应波长，长度为1～1.5倍中心频率对应波长。

其中，探头天线尾部地板为角锥吸波材料，吸波材料尖锥单元底边长度0.3～0.6倍中心频率对应波长，吸波材料尖锥单元高度为0.8～1.2倍中心频率对应波长，角锥吸波材料顶部距离天线尾部Z向长度为1～2cm。

其中，阵列的修正阵面辐射单元由一个探头天线和多个角锥吸波材料角锥单元组成或由多个探头天线和多个角锥吸波材料角锥单元组成。

其中，修正棋盘结构阵列单元在Z向的位置关系由被测天线的近场相位分布决定。各阵列单元在Z向排布为交错的修正棋盘结构，其计算方法为通过目标棋盘结构反射相位值分布减去平面波模拟器入射场分块相位均值。

其中，修正棋盘结构阵列单元天线馈电修正补偿值由幅相控制网络进行配置。

本发明原理在于：首先，天线阵列单元由小型化探头天线和尖锥吸波材料构成，小型化探头天线和尖锥吸波材料本身的散射水平较低，比较适合作为平面波模拟器的单元。然后将阵列单元排布为棋盘(国际象棋黑白相间棋盘)结构，通过调整相邻单元在Z轴的位置，使得被测天线辐射到平面波模拟器的入射波经过相邻阵列单元反射后的相位差为180°，反射后后向散射波进行反向抵消，从而抑制散射。由于平面波模拟器与被测天线距离较近，被测天线辐射到平面波模拟器口面的电磁波为非平面波，其相位分布并不平坦均匀。修正棋盘结构的原理是对入射到平面波模拟器口面上的入射场相位值根据阵列单元大小进行分块取平均，相邻单元反射波的目标相位设定为具有180°相位差，而实际的单元Z向调整距离需根据目标相位值减去入射场相位值进行计算，而不是像传统棋盘结构那样直接根据180°相位差进行换算设置。而由于调整了单元Z向距离产生的波程差会影响阵列单元辐射的初始相位，此相位偏差通过幅相控制网络进行补偿配置，从而使得正常工作时阵列各单元在口面XOY平面上的相位值仍然和平面结构阵列的单元辐射相位一致。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

1、本发明给出的平面波模拟器阵列单元构成，由于散射水平低，可以应用于近距离大口径天线的测试。

2、本发明给出的修正棋盘结构阵列，由于考虑了近距离下被测天线入射到平面波模拟器阵面的入射波为非平面波，因此与传统抑制远场散射的棋盘结构阵列相比，该阵列能够进一步抑制近距离测试中平面波模拟器与被测天线之间的多次干扰反射，提高测试精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为现有技术的修正棋盘结构阵列的结构示意图；

图2为修正棋盘结构阵列部件位置关系示意图；

图3为阵列入射场取值位置示意图，其中，图3(a)为阵列入射场取值位置斜视图，图3(b)为阵列入射场取值位置正视图，图3(c)为阵列入射场取值位置侧视图；

图4为阵列入射场相位分布图；

图5为阵列入射场相位分布分块均值图；

图6为阵列修正棋盘结构反射场相位分布均值目标图；

图7为阵列修正棋盘结构反射场相位分布均值调整量图；

图8为阵列修正棋盘结构单元Z向位置配置图；

图9为阵列修正棋盘结构单元幅相控制网络补偿相位图；

图中：1为小型化双极化探头天线，2为角锥吸波材料，3为射频线缆，4为幅相控制网络，1a为角锥吸波材料顶部距离天线尾部Z轴长度，1b为探头天线长度，1c探头天线口径宽度，2a为修正棋盘结构阵列单元在Z轴的位置差，2b为一个阵列单元的间距，2c为尖锥吸波材料尖锥高度。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1、2，修正棋盘结构阵列由小型化双极化探头天线1、角锥吸波材料2、射频线缆3和幅相控制网络4构成。射频线缆3穿过角锥吸波材料2连接探头天线馈电端口和幅相控制网络接口。一个探头天线馈电端口接一个幅相网络一路端口。幅相控制网络对各个探头天线的馈电值进行配置，配置其馈电幅度和相位。一个阵列单元中含有9个角锥吸波材料2和一个探头天线，探头天线位于角锥吸波材料2的Z向前端。

参考图3，图3中虚线所覆盖区域为关注的场分布区域，当被测天线放置在与平面波生成器较近距离进行测试时，被测天线入射到该虚线区域的入射场场分布为非平面波，其区别于远场的测试条件。因此修正棋盘结构的配置需考虑此区域被测天线入射场的场分布，尤其是相位分布。

参考图4、图5，图4为被测天线入射到图3中区域的相位分布，由于此区域为无穷多个点的相位值，而对阵列单元的调整只有一个值，因此需对此区域内相位值取平均值，也即图5所示为各个单元所在区域的平均相位值，以P_入射平均表示。

参考图6、图7，图6为典型棋盘结构的各单元反射场相位关系值，相邻单元反射相位反向相差180°，以P_反射目标表示，而图7为修正棋盘结构各单元对入射场相位的调整量，用P_调整表示，且P_反射目标＝P_入射平均+P_调整。

参考图8，修正棋盘结构单元反射相位产生反向180°是通过调整各单元在Z轴的位置差实现的，各单元Z轴位置差如图8所示，其计算方法为

其中λ为中心频率波长。

参考图9，阵列修正棋盘结构单元幅相控制网络补偿相位的方法为

应用本天线的一个实例：本平面波生成器由4×4共16个单元组成，工作中心频率为3GHz-4GHz,中心频率为3.5GHz。每个单元含有一个探头天线和一个3×3的角锥吸波材料。探头天线的口径宽度为60mm，长度为110mm，角锥吸波材料的单元角锥底边为30mm，高度为75mm。每个探头天线通过一条射频电缆与幅相控制网络一路通道连接，并通过幅相控制网络配置每个天线的幅度和相位。如图4所示，其为一款基站天线在平面波生成器口面的相位分布。如图8所示，其为平面波生成器各单元在Z轴的位置差。如图9所示，其为幅相控制网络对修正棋盘结构单元各通道的相位补偿值。通过以上配置实现平面波生成器相邻各单元的反射波相位相差180度，而正常工作时各单元天线的辐射相位仍保持同相。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列，其特征在于：修正棋盘结构阵列由小型化双极化探头天线、角锥吸波材料、射频线缆和幅相控制网络构成，探头天线尾部地板为角锥吸波材料，修正棋盘结构阵列辐射单元由一个探头天线和多个角锥吸波材料组成或由多个探头天线和多个角锥吸波材料组成，各阵列辐射单元在Z向排布为交错的修正棋盘结构，交错的修正棋盘结构的相位分布计算方法为通过目标棋盘结构反射相位值分布减去平面波模拟器入射场分块相位均值，修正棋盘结构阵列辐射单元馈电修正补偿值由幅相控制网络进行配置；

修正棋盘结构的入射场分块相位均值是对入射到平面波模拟器口面上的入射场相位值根据阵列辐射单元大小进行分块取平均，相邻单元反射波的目标相位值设定为具有180°相位差，单元的Z向调整距离根据目标相位值减去入射场分块相位均值进行计算，

其中，P_入射平均为各个单元所在区域的平均相位值，P_反射目标为相邻单元反射相位反向相差180°，P_调整为修正棋盘结构各单元对入射场相位的调整量，且P_反射目标＝P_入射平均+P_调整；

修正棋盘结构阵列辐射单元反射相位产生反向180°是通过调整各单元在Z向的位置差实现的，其计算方法为

其中λ为中心频率波长。

2.根据权利要求1所述的一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列，其特征在于：双极化探头天线口径宽度为0.5～0.75倍中心频率对应波长，长度为1～1.5倍中心频率对应波长。

3.根据权利要求1所述的一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列，其特征在于：探头天线尾部地板为角锥吸波材料，角锥吸波材料底边长度为0.3～0.6倍中心频率对应波长，角锥吸波材料高度为0.8～1.2倍中心频率对应波长，角锥吸波材料顶部距离天线尾部Z向长度为1～2cm。

4.根据权利要求1所述的一种适用于近场平面波模拟器的修正棋盘结构阵列，其特征在于：修正棋盘结构阵列辐射单元在Z向的位置关系由被测天线的近场相位分布决定。

Images