CN111474418A - 一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器及其优化方法。所述准直器是一个平面波综合阵列天线，基于阵列近场合成技术并采用粒子群优化算法对平面波综合阵列天线中各天线单元的馈电幅度和相位进行控制来产生测试所需的准平面波、在暗室内实现一个静区。平面波综合阵列天线采用旋转对称结构，具有寄生单元和解耦结构；平面波综合阵列天线包括天线阵面；天线阵面包括多个天线单元。所述阵列近场合成技术是指使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，并且使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图进行阵列近场合成。本申请的收敛效率高，优化效果好，设计精度高，在较大的频带内实现理想静区。

Description

一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器及其优化方法

技术领域

本申请涉及一种天线紧缩场（compact range）测试系统中的准直器装置，特别是涉及一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器装置。

背景技术

4G（第四代移动通信）或更早的移动通信技术中，基站天线无需进行通道一致性校准测试，基站天线的射频特性是采用线缆连接的方法进行测试。

5G（第五代移动通信）的基站天线引入了Massive MIMO（Massive Multiple InputMultiple Output，大规模多输入多输出）技术。这种基站天线采用有源相控阵天线体制，AAU（Active Antenna Unit，有源天线模块）与阵面集成一体化，通过波束赋形实现信号覆盖，天线单元数为64、128、256或更多，需要进行通道一致性校准和OTA（Over The Air，空口）测试。因此，需要建设5G基站天线的测试系统来满足5G基站天线的测试需求，既能满足5G通信系统测试精度的要求，还要具有高效快速的特点。

5G基站天线的天线阵列规模比较大，目前对其进行空口测试有近场、远场、紧缩场三种方式。近场测试系统无法实现全部有源射频参数的测试。远场测试系统虽然可以实现全部有源射频参数的测试，但是所需空间比较大，建设成本高。以3.5GHz、长800mm×宽700mm口径的基站天线为例，远场测试距离需要达到18m，暗室（anechoic chamber）尺寸约为长28m×宽14m×高14m以上。反射面紧缩场测试系统可以实现全部有源射频参数的测试，所需空间有所减小，仍以上述基站天线为例，暗室尺寸约为长8m×宽5m×高5m；但是反射面的加工和维护成本较高，暗室尺寸仍然较大，不适合产线调试测试。

目前，国内外提出了类似的平面波生成器准直器概念，采用阵列天线作为紧缩场准直器，可以有效减小暗室尺寸，降低成本。西安电子科技大学的冯学勇等人提出了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。该方法的优点是，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；其缺点是设计结果对算法依赖性高，且缺乏一定的物理规律，会导致个别设计结果的物理可实现性较差。北京航空航天大学苗俊刚等人提出了依据惠更斯原理，采用口面场卷积积分方法进行二维阵列天线平面波生成器的优化设计。虽然计算时间较短，但是其缺点是在阵列综合过程中无法充分考虑阵元间的耦合效应，计算收敛性差。德国罗德施瓦茨公司在国内申请的专利CN107918068 A中公开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，但并未对其优化方法进行具体阐述。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种基于平面波综合（plane wavesynthesis）技术的新型紧缩场准直器装置及其优化方法，收敛效率高，优化结果好，维护成本低，适用于天线的空口测试，例如可应用于5G基站天线测试与调试。

为解决上述技术问题，本申请提出了一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器。所述准直器是一个平面波综合阵列天线，基于阵列近场合成技术并采用粒子群优化（PSO，Particle Swarm Optimization）算法对平面波综合阵列天线中各天线单元的布局、馈电幅度和相位进行控制来产生测试所需的准平面波、在暗室内实现一个静区。所述平面波综合阵列天线采用旋转对称结构，具有寄生单元和解耦结构；所述平面波综合阵列天线包括天线阵面；所述天线阵面包括多个天线单元也称阵元；天线单元采用电磁偶极子或折叠偶极子天线。所述阵列近场合成技术是指使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，并且使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图进行阵列近场合成。所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。本申请使用阵中单元的近场方向图进行平面波综合，与使用远场方向图进行综合进行对比，具有更高的优化效率和精度。本申请在进行阵列近场合成时，使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图，具有更高的优化精度。本申请采用的粒子群优化算法不受函数约束条件的限制，如连续性、可导性等。粒子群优化算法隐含并行搜索特性，从而减小了陷入局部极小的可能性。并且由于这种并行性，易在并行计算机上实现，以提高算法性能和效率。粒子群优化算法有记忆功能，好的解的知识所有粒子都保存，原理更简单、参数更少、实现更容易，更快速度收敛于最优解。电磁偶极子或折叠偶极子天线具有结构简单、成本低、方向图对称性高、频带宽、交叉极化低等优点；电磁偶极子还具有天线前后比高的优点。

进一步地，所述天线单元或者采用全金属结构，或者采用基板和印刷电路板（PCB，Printed Circuit Board）实现。这里给出了天线单元可供选择的两种实现形式。

进一步地，所述寄生单元设置在天线阵面外围；所述寄生单元无需激励，补偿阵中耦合响应，进而补偿阵中单元方向图的畸变，降低平面波综合的难度，并提高准确性。天线单元安装到阵列中后，由于在阵中所处的位置不同，受阵中其它单元的耦合影响也不同，例如，处于阵列中心的单元与处于阵列边缘的单元，受到阵中耦合影响不同，方向图的畸变差异较大，会提高平面波综合的难度和降低收敛速度。寄生单元就是在阵列中设计安装一些不激励的天线单元，改变阵中单元之间的耦合响应关系，本申请在阵列的外围增加寄生单元，对阵列边缘的单元在阵中受到的耦合影响进行补偿。

进一步地，所述解耦结构设置在天线单元和寄生单元的天线罩上，或者设置在天线单元之间、寄生单元之间、天线单元与寄生单元之间，用来降低天线单元之间的耦合、提高阵中单元近场方向图的一致性、减少紧缩场测试时准直器与架设在静区的待测天线之间的多次反射干扰，提高测试结果精度，进而增强阵列近场合成的效率和精度。天线单元安装到阵列中后，由于天线单元之间间距较小，会产生天线单元间耦合效应,进而产生方向图的畸变。解耦结构就是在阵列中加载电路网络或者安装板结构，可以集成在天线单元和寄生单元的天线罩上，也可安装配置在阵列天线的单元之间，改变阵中单元之间的电磁场分布，从而降低阵中单元间的耦合效应，提高阵中单元方向图的一致性。此外，解耦结构可以减少紧缩场测试时准直器与架设在静区的待测天线之间的多次反射干扰，提高测试结果精度。

进一步地，静区为一个球体、圆柱体或多棱柱等具有一定对称性的区域；天线阵面的布局是一个大于或等于静区横截面的圆形或正多边形的阵列布局。所述正多边形例如为正四边形、正八边形等。这是天线阵面的几种优选形状的示例。不同静区形状在实现方法上有较大区别，是不同的技术，特别是在实现特殊形状甚至是不规则形状静区时，采用粒子群优化算法的阵列近场合成技术具有更高的自由度和收敛特性。

进一步地，为了降低成本并保持较好的静区特性，将相邻的一组阵元由一个衰减器和移相器控制，组内阵元可为等幅同相激励或是具有固定幅相分配比激励。这样可以减小衰减器和移相器的数量，降低制造成本。本申请不要求天线单元呈现周期排列，强调的是旋转对称性。本申请是在对称位置上的一组阵元可以采用等幅同相馈电，与是否位于中心位置无关。对相邻的一组阵元由一个衰减器和移相器控制，组内阵元为等幅同相激励或是具有固定幅相分配比激励，在保持一定静区性能的同时可以大大减少发射接收组件数量从而降低成本。

进一步地，所述平面波综合阵列天线还包括馈电网络；所述馈电网络包括两部分；第一部分是在天线单元的背面设置共享地板；第二部分是将同一列的天线单元和馈线集成在同一片基板上，并采用微带线和功分器将上下对称位置的两个或两组天线单元连接；位于左右对称位置的天线单元或天线单元组通过共享地板上的功分器实现等幅同相激励。所述馈电网络用于实现优化算法给定的各天线单元的馈电幅度和相位值，各天线单元的幅度和相位调节是通过衰减器和移相器来实现的。

进一步地，所述旋转对称结构是指将天线阵面均分为四个象限，位于四个象限中对称位置的四个或四组天线单元采用等幅同相激励。这是一种优选的激励方式，可以减少衰减器和移相器的数量，降低制造成本。如果采用具有轴对称性方向图的天线单元，当天线阵面为正八边形时，还可将阵面均分为八个对称区域，而对称位置的八个或八组天线单元采用等幅同相激励，可进一步降低成本。本申请的阵列天线采用旋转对称结构，只需求解第一象限的单元，进行映射关系得到全阵所有阵元的方向图，计算量小，具有工程实现性。

本申请还提出了一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器的优化方法，采用的平面波综合技术基于阵列近场合成技术，包括如下步骤。步骤S31：在全波仿真软件中建立全阵的物理模型，第一象限的所有单元进行激励，其它象限的单元进行匹配，在这种考虑了阵元间的耦合效应的情况下，求解出第一象限各天线单元的阵中近场方向图。步骤S32：利用天线阵面的旋转对称性，将第一象限的每个阵中天线单元的近场方向图通过映射得到其它三个象限的天线单元的阵中近场方向图。步骤S33：对于给定的阵列布局及相应位置上初始的各天线单元馈电幅度和相位值，使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，计算出静区内电磁场分布的幅值和相位；这一步计算出的静区内电磁场分布的幅值和相位值的波动分别称为幅度波纹和相位波纹。步骤S43：采用粒子群优化算法优化各天线单元的馈电幅度和相位，将幅相的波纹限制在目标值范围内。所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。这里给出了如何优化静区特性的实现方法。粒子群优化算法不受函数约束条件的限制，如连续性、可导性等。粒子群优化算法隐含并行搜索特性，从而减小了陷入局部极小的可能性。并且由于这种并行性，易在并行计算机上实现，以提高算法性能和效率。粒子群优化算法有记忆功能，好的解的知识所有粒子都保存，而遗传算法没有记忆，以前的知识会随着种群的改变被破坏。粒子群优化算法相对于遗传算法，原理更简单、参数更少、实现更容易。在大多数情况下，所有粒子可能比遗传算法中的进化个体以更快速度收敛于最优解。对于粒子群优化算法，适应度函数的构建是关键，必须根据所要优化的问题具体设计，其好坏直接决定了优化效果。本发明的优化目标是静区场的幅相波纹分布，因此，适应度函数通过控制综合静区场的幅相波纹分布与目标静区场的幅相波纹分布的误差最小，不断继续逼近目标静区场的幅相波纹分布，从而实现静区场的幅相波纹值最优解。

进一步地，所述步骤S33进一步包括如下步骤。步骤S331：设置静区采样点。步骤S332：读入各天线单元的阵中近场方向图，并读入相应位置上初始的各天线单元的馈电幅度和相位值。步骤S333：根据阵中各天线单元和具体某个采样点的相对位置，带入各天线单元的阵中近场方向图，作为电磁场的叠加，算出该采样点的电磁场分布的幅度和相位。步骤S334：重复步骤S333计算另一个采样点的电磁场分布的幅度和相位，直至计算出静区内每个采样点的电磁场分布的幅度和相位。这是步骤S33的一种示例性的实现方式。

本申请提出一种基于平面波综合阵列技术的紧缩场准直器装置及其优化方法，采用的平面波综合阵列天线准直器，与现有阵列天线准直器相比，结构简单，更易加工实现，成本更低；采用的基于粒子群算法的平面波近场合成技术，收敛速度更快，优化结果更好，进一步提升了准直器的性能。

附图说明

图1是采用本申请提出的基于平面波综合技术的准直器的紧缩场测试系统的结构示意图。

图2是本申请提出的基于平面波综合技术的准直器的天线阵面的结构示意图。

图3是静区的电磁场分布特性的优化方法的流程图。

图4是图3中的步骤S33的详细流程图。

图5是图2所示的天线阵面划分四个象限的示意图。

图6是平面波综合阵列天线的第一种排列布局的示意图。

图7是平面波综合阵列天线的第二种排列布局的示意图。

图8是平面波综合的原理示意图。

图9是采用图6所示排列布局的平面波综合阵列天线的幅度值分布曲线示意图（3.6GHz）。

图10是采用图6所示排列布局的平面波综合阵列天线的相位值分布曲线示意图（3.6GHz）。

图11是采用图7所示排列布局的平面波综合阵列天线的幅度值分布曲线示意图（4.5GHz）。

图12是采用图7所示排列布局的平面波综合阵列天线的相位值分布曲线示意图（4.5GHz）。

图中附图标记说明：10为暗室；15为吸波材料；20为平面波综合阵列天线；21为安装框架；22为天线单元；23为寄生单元；24a和24b为解耦结构；25为阵列支架及极化转台；30为待测设备；35为设备支架及转台；50为静区。

具体实施方式

请参阅图1，这是采用本申请提出的基于平面波综合技术的准直器装置的紧缩场测试系统。所述紧缩场测试系统设置在暗室10内，暗室10的内壁铺设吸波材料15。一个平面波综合阵列天线准直器20用来产生测试所需要的准平面波，在暗室10内实现一个静区50，待测设备30就位于所述静区30的中心。所述平面波综合阵列天线20就是本申请提出的基于平面波综合技术的准直器装置，具体包括天线阵面、馈电网络、波束形成器等。平面波综合阵列天线20例如设置在阵列支架及极化转台25上。所述阵列支架及极化转台25用于架设和调整平面波综合阵列天线20的位置、高度，还能对平面波综合阵列天线20进行转动以调整其朝向。待测设备30例如设置在设备支架及转台35上。所述设备支架及转台35用于调整待测设备30的位置、高度，还能对待测设备30进行转动以调整其朝向。优选地，所述阵列支架及极化转台25面向待测设备30的一侧也铺设吸波材料15。优选地，所述设备支架及转台35面向平面波综合阵列天线20的一侧也铺设吸波材料15。

本申请的紧缩场准直器采用平面波综合阵列天线技术，基于阵列近场合成技术，这是对平面波综合阵列天线中各天线单元的阵中近场方向图进行优化、加权，具有较高的平面波综合优化效率和精度，从而在较短的距离产生测试所需要的准平面波。本申请的紧缩场准直器能够在更近的距离内实现静区，提高了紧缩场的口径利用率，缩短了准直器与静区之间的距离，有利于进一步减小暗室尺寸，成本更低，适合产线测试场景的使用。此外，采用本申请准直器的紧缩场测试系统，静区特性可动态调整且配置灵活，在使用过程中可以根据测试需求不同，动态调整静区的位置、大小、锥销和波纹特性，实现动态测试。

请参阅图2，这是本申请提出的平面波综合阵列天线20的天线阵面。所述天线阵面的外围一周有安装框架21，在安装框架21内具有多个天线单元22。天线单元22在图2中以白色小方块表示，例如采用电磁偶极子或折叠偶极子天线等。这些类型的天线单元具有结构简单、频带宽、方向图轴对称性高、交叉极化低等特点。此外，电磁偶极子还具有天线前后比高的优点。各个天线单元22例如采用基板和印刷电路板工艺具体实现。为了进一步降低成本，还可将同一列的天线单元和馈线集成在同一片基板上。所述天线阵面采用旋转对称结构，还具有寄生单元23和解耦结构。寄生单元23可以认为是不工作的天线单元，寄生单元23的物理结构与正常工作的天线单元22是一样的。寄生单元23在图2中以灰色小方块表示，设置在天线阵面的外围一周；例如设置在紧邻水平边的一横条、紧邻垂直边的一竖条、紧邻斜边的两斜条。寄生单元23无需激励，补偿阵中耦合响应，进而补偿阵中单元方向图的畸变。解耦结构的位置分为两处。第一处是解耦结构24a设置在天线单元22和寄生单元23的天线罩上。第二处是解耦结构24b设置在天线单元22之间的结构体上、寄生单元23之间的结构体上、天线单元22与寄生单元23之间的结构体上。解耦结构用来降低天线单元22之间的耦合、提高阵中单元近场方向图的一致性。

所述天线阵面中，天线单元的阵列布局十分重要，对实现的静区特性有着较大影响。合理的阵列布局可以大幅降低平面波综合的难度和制造成本，提升带宽特性。根据平面波综合阵列天线与静区中心之间距离以及静区大小，设计阵面口径尺寸和阵元间距（各天线单元之间的距离）。通常情况下，静区为一个球体、圆柱体、多棱柱等具有一定对称性的区域，天线阵面较合适的布局是一个大于或等于静区横截面的圆形阵列排布，但是对于圆形阵列来说馈电网络的设计和实现较难。综合考虑，使用正八边形等具有对称结构的正多边形的阵列布局有很多优势。在此基础上，可进一步对阵元（即天线单元）进行稀疏排布设计，在减少阵元数量与降低成本的同时，可以兼顾阵列馈电和平面波综合的时候所需要的空间。此外，可将相邻的一组阵元由一个衰减器和移相器控制，组内阵元可为等幅同相激励或是具有固定幅相分配比激励，以此达到在提升带宽的同时又兼顾低成本的目的。

请参阅图3，所述静区的电磁场分布特性的优化方法包括如下步骤，其中采用的平面波综合技术基于阵列近场合成技术。

步骤S31：在全波仿真软件中建立全阵的物理模型，第一象限的所有天线单元进行激励，其它象限的天线单元进行匹配，在这种考虑了阵元间的耦合效应的情况下，求解出第一象限各天线单元的阵中近场方向图。

步骤S32：利用天线阵面的旋转对称性，将第一象限的每个阵中天线单元的近场方向图通过映射得到其它三个象限的天线单元的阵中近场方向图。

步骤S33：对于给定的阵列布局及相应位置上初始的各天线单元馈电幅度和相位值，使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，计算出静区内电磁场分布的幅值和相位；这一步计算出的静区内电磁场分布的幅值和相位值的波动分别称为幅度波纹和相位波纹；

步骤S34：采用粒子群优化算法优化各天线单元的馈电幅度和相位，将幅相的波纹限制在目标值范围内；所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。

请参阅图4，所述步骤S33中的计算过程进一步包括如下步骤。

步骤S331：设置静区采样点。

步骤S332：读入各天线单元的阵中近场方向图，并读入相应的馈电幅度和相位值。

步骤S333：根据阵中各天线单元和具体某个采样点的相对位置，带入各天线单元的阵中近场方向图，作为电磁场的叠加，算出该采样点的电磁场分布的幅度和相位。

步骤S334：重复步骤S333计算另一个采样点的电磁场分布的幅度和相位，直至计算出静区内每个采样点的电磁场分布的幅度和相位。

所述步骤S34例如采用粒子群优化算法。这种算法的优势在于能够较快的收敛，在相同条件下较其他优化算法能达到更好的优化效果。PSO算法内对优化变量的设置、适应度函数的构造为本申请的重要内容。本申请采用的PSO算法以每个天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化的目标。除了阵元布局外，阵元激励的幅值相位为重要优化变量，而静区的幅度波纹和相位波纹是构成适应度函数的重要组成部分。本申请将PSO算法应用于紧缩场平面阵列天线准直器的静区特性优化设计，取得了较好的优化结果。

所述馈电网络是平面波综合阵列天线准直器重要组成部分，主要用于实现优化算法给定的各天线单元的馈电幅度和相位值。各天线单元的幅度和相位调节是通过衰减器和移相器来实现的。考虑到阵元的对称分布，位于四个象限中对称位置的四个天线单元或是四组天线单元优选地被等幅同相激励，使得所需的移相器和衰减器的数量降为1/4，大幅降低准直器成本以及加工和控制的复杂性。

所述馈电网络主要包括两部分。第一部分是在天线单元的背面设置共享地板，可采用介质板实现。共享地板的上表面还可集成衰减器、移相器、功分器、混频器等有源和无源器件。第二部分是将同一列的天线单元和馈线集成在同一片基板上，并采用微带线和功分器将上下对称位置的两个天线单元或两组天线单元连接。位于左右对称位置的天线单元或天线单元组将通过共享地板上的功分器，实现等幅同相激励。

综上所述，本申请提出的基于平面波综合技术的紧缩场准直器采用基于有源相控阵体制的平面波综合阵列天线，天线阵面设置有寄生单元和解耦结构，采用粒子群优化算法对阵中单元的近场方向图进行优化，并充分考虑了阵元间的耦合效应，收敛效率高，优化效果好，在较大的频带内实现理想静区。

所述平面波综合阵列天线阵面的排布越接近圆形，越容易使得静区呈现圆形截面。作为一个优选的实施例，所述平面波综合阵列天线采用正八边形布局，直径例如为1.7m。请参阅图2，正八边形的阵列天线可以通过在等间距排布的正方形阵列天线上适当地切去四个角得到，其中的每个小方块表示一个天线单元22。正八边形具有良好的对称性，可以减小需要优化的阵元个数，减少衰减器、移相器的数目。请参阅图5，将正八边形的平面波综合阵列天线按照水平中心轴和垂直中心轴平均地划分为四个象限。每个象限与其左右相邻的象限呈左右对称，每个象限与其上下相邻的象限呈上下对称。这样就使得独立激励的阵元（即天线单元）个数为总阵元个数的1/4，独立的衰减器、移相器数目为阵元数目的1/4。只需要优化一个象限中的阵元激励（即馈电幅度和相位值），就可以通过对称性得到整个平面波综合阵列天线的激励。

阵元激励具体由衰减器和移相器控制。平面波综合阵列天线所需要的独立衰减器和移相器的个数很大程度上决定了平面波综合阵列天线的制造成本。阵元数目在很大程度上受到最高工作频点的制约。当系统设计频带为2.3GHz至6GHz时，自由空间波长跨度较大，从130mm（对应于2.3GHz）变化至50mm（对应于6GHz）。从采样定理可知，工作频率越高，所需要的阵元间距越小。若阵元间距减小为一半，阵元数目增加为四倍。由此可见，只用一种阵元排布实现全频段的性能指标不是最好的方法。

本申请根据适用频带的不同给出了平面波综合阵列天线的两种布局方案。

请参阅图6，这是平面波综合阵列天线的第一种排列布局，适用于2.3GHz至3.8GHz频段，阵元数比较少，成本低。其中的每一个小圆圈表示一个天线单元，图6中未表示出寄生单元。

请参阅图7，这是平面波综合阵列天线的第二种排列布局，适用于2.3GHz至6GHz频段，与图6相比阵元数增加，成本提高。其中的每一个小圆圈表示一个天线单元，图7中未表示出寄生单元。

本申请对平面波综合阵列天线采用的平面波综合技术基于阵列近场合成技术，使用平面波综合技术为各个天线单元找出一组合适的幅度和相位加权值，使平面波综合阵列天线在指定位置的合成场满足静区条件，对于一个阵面较大、阵元数目较多的阵列天线来说，使用解析解的方法比较复杂，而且对误差较为敏感。相比之下，在阵列的尺寸满足理论要求的情况下，使用PSO优化算法既能快速得出激励（即馈电幅相）的分布情况，又能在阵元的方向图因误差而发生变化的时候重新优化出一组激励。

请参阅图8，这是平面波综合技术的原理示意图。假设平面波综合阵列天线呈正八边形排布在XOY平面的直径为1.7m的圆形范围内，平面波综合阵列天线的几何中心位置为坐标原点O。构成平面波综合阵列天线的天线单元为折叠偶极子天线，其双臂沿着Y轴方向排布，Z轴的方向为辐射的正方向。假设静区是中心位于(x, y, z)坐标为(0mm, 0mm, 1400mm)处的半径为500mm的球形区域。为了便于优化计算，对于球形静区，取其在z = 1400 mm切面上的指标来描述静区特性。所述切面就是图8中的三个观察面，分别与XOY平面、XOZ平面、YOZ平面平行。使用优化算法能够较快得出所需要的静区，根据优化出来的激励值，在仿真软件中建立平面波综合阵列天线模型，验证静区指标的性能。

静区是指微波暗室内受杂散波干扰最小的区域。在紧缩场测量天线的辐射参数时，静区就是具有准平面波特性、满足测试条件的区域。静区的特性以静区的大小、静区内幅度和相位的锥削值、静区内幅度和相位的波纹大小等参数来描述。静区内幅度和相位的锥削值是指静区内幅度和相位分布曲线的峰-峰差值。静区内幅度和相位的波纹是指对原始分布曲线拟合二次曲线，对原始曲线与二次拟合曲线求差，得到的最大差值。

请参阅图9和图10，这是采用图6所示第一种排列布局的平面波综合阵列天线的准直器，在3000mm×3000mm的观察面范围内对静区的幅度和相位进行仿真计算（3.6GHz）的结果。图9中，横坐标为Y轴坐标，纵坐标为幅度值。图10中，横坐标为Y轴坐标，纵坐标为相位值。可以发现，在中心半径为500mm的范围内，幅度值和相位值变化量较小，具有较好的静区性能，能够满足紧缩场测试的需求。

请参阅图11和图12，这是采用图7所示第二种排列布局的平面波综合阵列天线的准直器，在3000mm×3000mm的观察面范围内对静区的幅度和相位进行仿真计算（4.5GHz）的结果。图11中，横坐标为Y轴坐标，纵坐标为幅度值。图12中，横坐标为Y轴坐标，纵坐标为相位值。可以发现，在中心半径为500mm的范围内，幅度值和相位值变化量较小，具有较好的静区性能，能够满足紧缩场测试的需求。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述准直器是一个平面波综合阵列天线，基于阵列近场合成技术并采用粒子群优化算法对平面波综合阵列天线中各天线单元的布局、馈电幅度和相位进行控制来产生测试所需的准平面波、在暗室内实现一个静区；

所述平面波综合阵列天线采用旋转对称结构，具有寄生单元和解耦结构；所述平面波综合阵列天线包括天线阵面；所述天线阵面包括多个天线单元也称阵元；天线单元采用电磁偶极子或折叠偶极子天线；

所述阵列近场合成技术是指使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，并且使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图进行阵列近场合成；

所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。

2.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述天线单元或者采用全金属结构，或者采用基板和印刷电路板实现。

3.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述寄生单元设置在天线阵面外围；所述寄生单元无需激励，补偿阵中耦合响应，进而补偿阵中单元方向图的畸变。

4.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述解耦结构设置在天线单元和寄生单元的天线罩上，或者设置在天线单元之间、寄生单元之间、天线单元与寄生单元之间，用来降低天线单元之间的耦合、提高阵中单元近场方向图的一致性、减少准直器与架设在静区的待测天线之间的多次反射干扰。

5.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，静区为一个球体、或圆柱体、或多棱柱区域；天线阵面的布局是一个大于或等于静区横截面的圆形或者正多边形的阵列布局。

6.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，相邻的一组阵元由一个衰减器和移相器控制，组内阵元为等幅同相激励或是具有固定幅相分配比激励。

7.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述平面波综合阵列天线还包括馈电网络；所述馈电网络包括两部分；第一部分是在天线单元的背面设置共享地板；第二部分是将同一列的天线单元和馈线集成在同一片基板上，并采用微带线和功分器将上下对称位置的两个或两组天线单元连接；位于左右对称位置的天线单元或天线单元组通过共享地板上的功分器实现等幅同相激励。

8.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述旋转对称结构是指将天线阵面均分为四个象限，位于四个象限中对称位置的四个或四组天线单元采用等幅同相激励。

9.一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器的优化方法，其特征是，采用的平面波综合技术基于阵列近场合成技术，包括如下步骤；

步骤S31：在全波仿真软件中建立全阵的物理模型，第一象限的所有单元进行激励，其它象限的单元进行匹配，在这种考虑了阵元间的耦合效应的情况下，求解出第一象限各天线单元的阵中近场方向图；

步骤S32：利用天线阵面的旋转对称性，将第一象限的每个阵中天线单元的近场方向图通过映射得到其它三个象限的天线单元的阵中近场方向图；

步骤S33：对于给定的阵列布局及相应位置上初始的各天线单元馈电幅度和相位值，使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，计算出静区内电磁场分布的幅值和相位；这一步计算出的静区内电磁场分布的幅值和相位值的波动分别称为幅度波纹和相位波纹；

步骤S34：采用粒子群优化算法优化各天线单元的馈电幅度和相位，将幅相的波纹限制在目标值范围内；所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。

10.根据权利要求9所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器的优化方法，其特征是，所述步骤S33进一步包括如下步骤；

步骤S331：设置静区采样点；

步骤S332：读入各天线单元的阵中近场方向图，并读入相应位置上初始的各天线单元的馈电幅度和相位值；

步骤S333：根据阵中各天线单元和具体某个采样点的相对位置，带入各天线单元的阵中近场方向图，作为电磁场的叠加，算出该采样点的电磁场分布的幅度和相位；

步骤S334：重复步骤S333计算另一个采样点的电磁场分布的幅度和相位，直至计算出静区内每个采样点的电磁场分布的幅度和相位。

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