CN111610378B - 一种毫米波双极化近场测量探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波双极化近场测量探头，包括一个沿开口方向口径逐渐变大的渐变圆波导、位于渐变圆波导起始端向开口方向反向延伸的一段直圆波导、一个位于直圆波导端部的短路板以及设置在两段圆波导内呈十字分布的四个脊片；在所述直圆波导外部连接有两个相互垂直馈电连接器，分别为两对脊片进行馈电，实现天线的垂直/水平双极化。本发明采用渐变圆波导和直圆波导组成的圆波导，两段圆波导内设置呈十字分布的四个脊片，所述的四个脊片进行了优化处理，在波导的开路端做了圆弧处理，以减小电磁波在脊之间传播到自由空间时所产生的衍射效应进而保障了方向图性能。同时在短路端采用了阶梯处理，可以通过调节阶梯的参数来调整回波损耗匹配。

Description

一种毫米波双极化近场测量探头

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及多探头球面近场测量系统的毫米波双极化近场测量探头。

背景技术

随着移动通信技术的进步与5G的到来，大规模MIMO成为5G时代的一项重要支撑技术。但是大规模天线阵列带给了测量极大的挑战，传统的测试测量方式并不适用于5G毫米波测试。于是，使用OTA(Over The Air)辐射测试方法来进行设备特性分析的测试系统，成为5G毫米波测试测量的新希望。目前MIMO OTA的测试方法主要有三种：多探头近场测量法、混响室法和辐射两步法。

多探头近场测量技术是天线测量的重要方法之一，能够在待测天线的近场上采集数据,通过严格的近远场变换算法得到天线的远场辐射特性,具备可全天候工作、测量场地小、测量精度高、速度快等优点。在多探头球面近场测量系统中，将多个双极化探头以特定角度均匀布置在环形托架上，探头天线通过射频电缆连接到后端电子开关矩阵上。测量时，将被测天线(AUT)作为发射天线，电子开关将接收探头切换到矢量网络分析仪，完成各接收通道的数据采集。然后通过对采集到的数据进行近远场变换，可以获得远场数据。

探头的性能对近场测量系统电气性能有很大的影响，要求探头在照射角范围内远场方向图具有良好的轴对称特性。传统近场测量系统中的双极化主要通过两种方式实现，一是采用单极化探头的机械转动实现，二是直接采用双极化探头实现。为了尽可能快速、准确地测量场中各点的场分布，采用双极化探头代替单极化探头的，在测量过程中不需要机械调节，大大提高测试速度。但是要求探头具备低交叉极化、方向图在E面和H面尽量平坦、宽频带以及小的口径尺寸等特性。为了实现这些特性，该双极化类探头设计难度大，成本高。

在传统喇叭天线采用同轴线馈电的方式下，圆波导内会被激励起大量的模式，这些模式的截止频率和传播常数是由波导的结构来决定的。进一步，这些模式在喇叭内的传播和相互作用，将会使口径处的场分布非常杂乱，从而导致方向图性能恶化。

发明内容

针对现有探头在毫米波频段内存在的设计上和性能上的问题，本发明的目的在于提供一种具有宽频带，低交叉极化、馈电简单、方向图稳定的双极化近场测量探头，能够在5G毫米波的MIMO OTA测试中，提高测量准确度和效率。

本发明探头以圆形四脊喇叭天线(Quadruple-Ridged Flared Horn Antenna，QRFH)为原型，在非常小的脊宽和间距下，获得了超8:1的匹配带宽，端口反射系数均在-10dB以下。

本发明的技术方案是：

一种毫米波双极化近场测量探头，包括：一个沿开口方向口径逐渐变大的渐变圆波导、位于渐变圆波导起始端向开口方向反向延伸的一段直圆波导、一个位于直圆波导端部的短路板以及设置在两段圆波导内呈十字分布的四个脊片；在所述直圆波导外部连接有两个馈电连接器，相互垂直但错位放置，分别为两对脊片进行馈电，实现天线的垂直/水平双极化。

优选的，所述渐变圆波导和直圆波导组成的圆波导，直圆波导末端通过短路板实现短路，渐变圆波导末端开路，且终于脊片的中部。

优选的，所述的脊片底部固定设置在直圆波导内，底部设有阶梯状轮廓，中部设置为指数型曲线轮廓，上部末端设置为圆弧状轮廓。

优选的，所述四个脊片在所述圆波导内等间隔90度设置，展宽探头的工作带宽；四个脊片底部内侧设有切角，四个脊片底部的阶梯状轮廓在直圆波导段与短路板之间形成空腔，调节天线阻抗匹配。

优选的，所述两个馈电连接器分别连接两个同轴线进行馈电；同轴线由内导体和外导体以及填充在两者之间的介质构成，其中介质为空气；馈电时，同轴线穿过第一个脊片，其外导体与第一个脊片接触；同时内导体继续延伸并连接至与第一个脊片相对的第二个脊片，在电路上构成正负极；同理，对另外一对脊片进行馈电，实现对探头的垂直/水平双极化激励。

优选的，通过调节阶梯状轮廓的阶梯高度和两个馈电内导体之间的距离，调整回波损耗和隔离度；调节阶梯高度也即在调整因为阶梯处理形成的空腔，进而调节探头的阻抗匹配。

优选的，通过调节渐变圆波导的口径大小调整方向图的波束宽度。

本发明的优点是：

1、本发明的毫米波双极化近场测量探头，采用渐变圆波导和直圆波导组成的圆波导，两段圆波导内设置呈十字分布的四个脊片，所述的四个脊片进行了优化处理，在波导的开路端做了圆弧处理，以减小电磁波在脊之间传播到自由空间时所产生的衍射效应进而保障了方向图性能。同时在短路端采用了阶梯处理，可以通过调节阶梯的参数来调整回波损耗匹配。

2、本发明通过在波导壁内设置四个指数型加圆弧形结构的脊片，利用馈电探针对每对脊馈电激励，形成一个方向的极化，实现双极化性能。为了满足5G毫米波的频段要求，可缩短脊的间距，有重叠的部分做切角处理，实现超宽带。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所述毫米波双极化近场测量探头的结构主观图；

图2为本发明中一对脊片的结构主观图；

图3为本发明所述脊片的截面俯视图，位于直圆波导段部分；

图4为本发明双端口回波损耗曲线的仿真结果图；

图5为本发明E面仿真归一化方向图；

图6为本发明H面仿真归一化方向图；

图7为本发明主极化与交叉极化仿真结果图；

图8为本发明与参考天线在32GHz的方向图，其中(a)为E面，(b)为H面；

图9为本发明与参考天线在34GHz的方向图，其中(a)为E面，(b)为H面；

图10为本发明对应的参考天线。

图中：1-渐变圆波导，2-直圆波导，3-短路板，4-脊片，5-馈电连接器，6-指数型轮廓，7-圆弧状轮廓，8-阶梯状轮廓，9-切角，10-直外导体通孔，11-直内导体通孔。

具体实施方式

如图1所示，一种毫米波双极化近场测量探头，包括：一个沿开口方向口径逐渐变大的渐变圆波导1、位于渐变圆波导起始端向开口方向反向延伸的一段直圆波导2、一个位于直圆波导2端部的短路板3以及设置在两段圆波导内呈十字分布的四个脊片4；在所述直圆波导2外部连接有两个馈电连接器5，相互垂直但错位放置，分别为两对脊片进行馈电，实现天线的垂直/水平双极化。所述渐变圆波导1和直圆波导2组成的圆波导，直圆波导2末端通过短路板3实现短路，渐变圆波导1末端开路，且终于脊片4的中部。

如图2、3所示，所述的脊片4底部固定设置在直圆波导2内，底部设有阶梯状轮廓8，中部设置为指数型曲线轮廓6，上部末端设置为圆弧状轮廓7。所述四个脊片4在所述圆波导内等间隔90度设置，展宽探头的工作带宽；四个脊片4底部内侧设有切角9，四个脊片4底部的阶梯状轮廓8在直圆波导段与短路板3之间形成空腔，调节天线阻抗匹配。一对脊片4中，其中一个底部设有直外导体通孔10，另一个设置直内导体通孔11。

所述两个馈电连接器5分别连接两个同轴线进行馈电；同轴线由内导体和外导体以及填充在两者之间的介质构成，其中介质为空气；馈电时，同轴线穿过第一个脊片，其外导体与第一个脊片直外导体通孔10接触；同时内导体继续延伸并连接至与第一个脊片相对的第二个脊片的直内导体通孔11，在电路上构成正负极；同理，对另外一对脊片进行馈电，实现对探头的垂直/水平双极化激励。

通过调节阶梯状轮廓8的阶梯高度和两个馈电内导体之间的距离，调整回波损耗和隔离度；调节阶梯高度也即在调整因为阶梯处理形成的空腔，进而调节探头的阻抗匹配。

通过调节渐变圆波导1的口径大小调整方向图的波束宽度，一般较小的口径对应更窄的波束宽度。

本发明所述的脊片的中上部进行了优化处理，在波导的开路端做了圆弧处理，以减小电磁波从喇叭传播到自由空间时所产生的衍射效应，进而保障了方向图性能。同时在短路端采取阶梯处理，这样在脊的后端与背板之间形成一个空腔，通过调节空腔可以来调整探头的回波损耗。基于脊波导理论，在喇叭内部引入脊结构，会在降低主模的截止频率的同时升高高次模的截止频率，实现比不加脊时更宽的带宽。通过采用更小的脊宽和脊间距，可以实现更宽的带宽。在这里对脊进行切角处理，这样可以让脊间距d尽可能的小。上述就构成了所述双极化近场测量探头。

参阅图4，为所述探头的回波损耗和端口隔离的仿真结果图。从图中可以看出，端口一在6-50GHz的频带内，带宽近8倍频，回波损耗(S11)均小于-10dB，端口二的匹配带宽为6-48GHz附近，同样能满足中国在5G毫米波的频带。两个端口的隔离度(S21)在整个感兴趣的频带内均低于-30dB。表明该探头在所设计的频带内具有良好的匹配和隔离。

参阅图5和图6，分别为所述探头在E面和H面的归一化方向图。从仿真结果可以看到，归一化方向图的主辐射方向上几乎没有产生凹陷，也即增益的损耗。在此，需要指出的是，传统四脊喇叭天线在高频处(大于12GHz)以上时，由于喇叭内高次模的作用，会使得方向图主瓣分裂为四个，中心的增益因此下降。

参阅图7，为所述探头的主极化和交叉极化，可以看到，在整个频带内，交叉极化都小于主极化超过30dB。这表明，探头在双极化工作模式下，实现同时收发功能时完全不会受到干扰。

参阅图8，为本发明探头和参考天线在32GHz，图9是在34GHz处，E面和H面的方向图。通过对比可以发现，原来的参考天线，在该频点处的方向图是有凹陷的，但本发明在参考天线的基础上采用了部分壁的结构，使得原来的凹陷得以消除，其效果非常明显。这也证明本发明的改进是可被采用的。图10是本发明对应的参考天线，二者不同的地方就是喇叭侧壁的不同。

综上所述，本发明提供的超宽带双极化近场测量探头，具有稳定的宽带匹配与辐射特性，口径尺寸较小且馈电方式简单，在天线测量领域具有很好的应用前景和推广价值。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种毫米波双极化近场测量探头，包括：一个沿开口方向口径逐渐变大的渐变圆波导(1)、位于渐变圆波导起始端向开口方向反向延伸的一段直圆波导(2)、一个位于直圆波导(2)端部的短路板(3)以及设置在两段圆波导内呈十字分布的四个脊片(4)；在所述直圆波导(2)外部连接有两个馈电连接器(5)，相互垂直但错位放置，分别为两对脊片进行馈电，实现天线的垂直/水平双极化；

所述渐变圆波导(1)和直圆波导(2)组成的圆波导，直圆波导(2)末端通过短路板(3)实现短路，渐变圆波导(1)末端开路，且终于脊片(4)的中部而形成部分壁结构，由此使得在32GHz及34GHz处的E面和H面方向图的凹陷消除；

所述的脊片(4)底部固定设置在直圆波导(2)内，底部设有阶梯状轮廓(8)，中部设置为指数型曲线轮廓(6)，上部末端设置为圆弧状轮廓(7)；

所述四个脊片(4)在所述圆波导内等间隔90度设置，展宽探头的工作带宽；四个脊片(4)底部内侧设有切角(9)，四个脊片(4)底部的阶梯状轮廓(8)在直圆波导段与短路板(3)之间形成空腔，调节天线阻抗匹配；

所述两个馈电连接器(5)分别连接两个同轴线进行馈电；同轴线由内导体和外导体以及填充在两者之间的介质构成，其中介质为空气；馈电时，同轴线穿过第一个脊片，其外导体与第一个脊片接触；同时内导体继续延伸并连接至与第一个脊片相对的第二个脊片，在电路上构成正负极；同理，对另外一对脊片进行馈电，实现对探头的垂直/水平双极化激励。

2.如权利要求1所述的毫米波双极化近场测量探头，其特征在于，通过调节阶梯状轮廓(8)的阶梯高度和两个馈电内导体之间的距离，调整回波损耗和隔离度；调节阶梯高度也即在调整因为阶梯处理形成的空腔，进而调节探头的阻抗匹配。

3.如权利要求1所述的毫米波双极化近场测量探头，其特征在于，通过调节渐变圆波导(1)的口径大小调整方向图的波束宽度。

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