CN113163432B - 一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，在混响室中部署发射天线和接收天线，并在混响室的一个或多个腔壁上部署可电调吸波超表面；通过程序控制可电调吸波超表面的全部区域工作于全反射模式，测试并计算相干带宽，该相干带宽是可校准的最小值；通过程序切换可电调吸波超表面的全部区域工作于全吸收模式，测试并计算相干带宽，该相干带宽是可校准的最大值；确认目标相干带宽是否在可校准的范围内；比较目标相干带宽和上一步中计算的相干带宽，直到将混响室的相干带宽校准到目标相干带宽。本发明能够根据测试需求实现混响室相干带宽的快速校准，极大的提高了空口测试的自动化程度和测试效率。

Description

一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法

技术领域

本发明涉及电磁超表面和微波混响室技术领域，特别涉及一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法。

背景技术

空口测试主要有多探头微波暗室、辐射两步法和混响室等技术。多探头微波暗室造价昂贵，不适合大尺寸无线设备的空口测试。辐射两步法要求待测设备具有支持测量辐射方向图的芯片，而很多大尺寸无线设备不具有此类芯片。因此，多探头微波暗室和辐射两步法主要用于测试多天线手机等小型移动终端设备。相比之下，混响室具有测试区域大、建造成本低、测试效率高、重复性好等特点，因而成为了唯一被编入国际无线通信和互联网协会测试计划的大尺寸设备空口测试技术。

微波混响室是一个大型的金属谐振腔体，利用不同的搅拌技术(机械搅拌、源搅拌和频率搅拌)改变腔体内的电磁场分布，不同搅拌位置下激励的电磁场也不同，当所有激励起的电磁模式叠加在一起时，工作区域内的电磁场在统计平均下呈现出空间均匀、各向同性和随机极化的特性。混响室的这种统计特性使其尤为适合测试对方向性不敏感的性能参数，如天线效率、总辐射功率，总辐射灵敏度和吞吐量等。混响室作为一种新兴的电磁测试环境，最早应用于电磁兼容测试。近年来，混响室以其特有的优势被广泛关注并应用于空口测试领域，该方向已有的研究成果为空口测试技术的进一步发展奠定了一定的基础，但仍存在很多问题亟待解决。

与电磁兼容测试不同，空口测试的对象是有源设备，大多数空口测试(总辐射功率，总辐射灵敏度，误码率和吞吐量等)涉及到对数字调制信号的接收和解调，这就要求混响室中无线信道的特性应与待测设备既定的工作信道特性一致，以保证待测设备在预期的信道条件下进行测试。相干带宽指定了一个频率范围，在该频率范围内接收到的信号是相关的(即信号的复自相关系数的模大于指定阈值)。如果信号带宽小于相干带宽，该信道是频率平坦的；如果信号带宽大于相干带宽，该信道具有频率选择性，会导致解调接收信号时产生错误。很多空口测试要求混响室的相干带宽大于待测设备工作的信号带宽。空载状态下的混响室中，无线信道的频率选择性通常较强，显然无法满足测试需求，因此需要扩展混响室的相干带宽。实际中，主要采用向混响室中加载吸波材料的方法校准相干带宽，加载的吸波材料越多，相干带宽越大。

现有的通过加载吸波材料校准混响室相干带宽的方法至少存在以下问题：

吸波材料具有不可忽略的体积，一方面，加载吸波材料必然会减少混响室的可利用区域，降低测试的灵活性，另一方面，对于要求相干带宽很大的测试，大量加载吸波材料必然会导致工作区域的减小，如果混响室的体积很小，甚至无法实现测试需要的相干带宽的校准。尺寸一定的吸波材料对相干带宽的校准精度一定，如果需要实现对相干带宽的精准校准，需要多种尺寸的吸波材料，这不仅使得相干带宽的校准过程更加复杂，同时对吸波材料提出了更严苛的要求。一次完整的空口测试过程只能测试一个无线设备，测试具有不同信号带宽要求的多个设备时，不仅需要多次打开和关闭混响室，而且需要人工增减吸波材料的多少，严重影响了测试的自动化程度，增加了测试时间。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，所设计的可电调吸波超表面在不减小混响室有效工作区域的前提下，能够根据测试需求实现混响室相干带宽的快速校准，极大的提高了空口测试的自动化程度和测试效率，具有占用空间小、校准方式简单省时、制作方便、成本低廉的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，包括以下步骤；

步骤1：在混响室中部署发射天线和接收天线，并在混响室的一个或多个腔壁上部署可电调吸波超表面；

步骤2：控制所述可电调吸波超表面的全部区域工作于全反射模式，测试并计算相干带宽，该相干带宽是可校准的最小值；

步骤3：切换所述中可电调吸波超表面的全部区域工作于全吸收模式，测试并计算相干带宽，该相干带宽是可校准的最大值；

步骤4：确认目标相干带宽是否在可校准的范围内，如果不在可校准范围内，在混响室的其他腔壁上增加可电调吸波超表面，返回步骤2；

步骤5：如果目标相干带宽接近可校准的最小值，在步骤2中可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全吸收状态的区域，测试并计算相干带宽；如果目标相干带宽接近可校准的最大值，在步骤3中可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全反射状态的区域，测试并计算相干带宽；

步骤6：比较目标相干带宽和计算的相干带宽，如果目标相干带宽小于计算的相干带宽，在可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全反射状态的区域；如果目标相干带宽大于上一步中计算的相干带宽，在可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全吸收状态的区域，完成测试并计算相干带宽；

步骤7：重复步骤6，直到将混响室的相干带宽校准到目标相干带宽。所述的可电调吸波超表面是一种电磁超表面，分为一定数量的可独立工作于全反射模式或全吸收模式的区域。

所述的电磁超表面由一定数量的电磁超表面单元构成，所述的一定数量取决于测试的频率范围和所需的吸波能力，数量越多，吸波能力越强，其最大值取决于所部署的混响室的腔壁的大小。

所述的电磁超表面的每个单元加载了一个PIN二极管，当PIN二极管工作于“开”状态时，所述的可电调吸波超表面工作于“全反射”模式；当PIN二极管工作于“关”状态时，所述的可电调吸波超表面工作于“全吸收”模式。

所述的可电调吸波超表面分为一定数量的区域，每个区域可独立工作于全反射模式或全吸收模式，所述的一定数量取决于相干带宽的校准精度要求，在可电调吸波超表面尺寸一定的条件下，数量越多，校准精度越高。

所述的混响室中，装配有两个机械搅拌器和一个机械转台，所述的机械搅拌器一个水平方向，一个垂直方向，转台上装配多个高度可调的支架，支架靠近转台边缘，且等间距的分布在转台上，所述的发射天线为标准喇叭天线，部署在混响室的其中一个腔壁上，所述的接收天线为盘锥天线，部署在转台的一个支架上，所述的可电调吸波超表面安装在混响室的其中一个或多个腔壁上。

本发明的有益效果：

1.本发明所设计的可电调吸波超表面可以应用于混响室，能够在不减小混响室有效工作区域的前提下，根据测试需求实现信道相干带宽的快速校准，大大提高了空口测试的灵活性。

2.本发明所述的可电调吸波超表面能够根据需要的校准精度设计为一定数量的区域，实现相干带宽的精确校准。

3.本发明所述的可电调吸波超表面能够全部工作于全反射模式，因此无需拆卸所述的可电调吸波超表面，即可完成要求混响室工作于空载状态的其它测试，在混响室中部署所述的可电调吸波超表面不会影响混响室的其他测试。

4.本发明所述的可电调吸波超表面采用程序控制各区域的工作模式，模式控制简单高效，极大的提高了空口测试的自动化程度和测试效率。本发明所设计的可电调吸波超表面，可与传统的吸波材料同时使用，扩大相干带宽的可校准范围，提高相干带宽校准的灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例中设计的可电调吸波超表面的结构示意图。

图2为本发明实施例中超表面单元的局部放大图。

图3为本发明实施例中设计的可电调吸波超表面在平面波以不同入射角斜入射的情况下，全反射和全吸收工作模式下S₁₁参数的仿真结果示意图。

图4为本发明实施例中设计的可电调吸波超表面在平面波垂直入射的情况下，全反射和全吸收两种工作模式下S₁₁参数的仿真及测试结果示意图。

图5是本发明实施例的整体测试环境示意图。

图6是本发明实施例中设计的可电调吸波超表面在三种工作模式下，混响室信道传输函数的复自相关系数的模的测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明设计的可电调吸波超表面如图1所示，所述的可电调吸波超表面由20×20个超表面单元紧密周期排列构成，尺寸为500mm×500mm×3mm。每个超表面单元加载一个PIN二极管，如图2所示，所述的PIN二极管工作于“ON”状态时，所述的可电调吸波超表面工作于“全反射”模式；工作于“OFF”状态时，所述的可电调吸波超表面工作于“全吸收”模式。通过程序控制外置电路，切换二极管的开关状态，改变等效电路，进而控制可电调吸波超表面工作模式的切换。

本发明设计的可电调吸波超表面在平面波以不同入射角斜入射的情况下，“全反射”和“全吸收”两种工作模式下S₁₁参数的仿真及测试结果如图3所示。可以看出：当平面波的入射角在50°以内时，可电调吸波超表面在“全吸收”和“全反射”两种模式下分别具有良好的吸波特性和反射特性。随着入射角的增大，吸波性能虽然有少许下降，但在目标频段内仍可达到-10dB以下的吸波效果。与此同时，无论入射角的大小为何值，反射系数均大于-6dB。仿真结果表明在指定的工作频段范围内，所述的可电调吸波超表面在两种工作模式下都能够满足设计需求。

本发明设计的可电调吸波超表面在平面波垂直入射的情况下，“全反射”和“全吸收”两种工作模式下S₁₁参数的仿真及测试结果如图4所示。可以看出，实际测试结果与仿真结果有着良好的一致性，这表明实际加工的可电调吸波超表面性能与预期一致，可以达到理论设计的指标，实现测试所需的功能。

本发明实施例的整体测试环境如图5所示，混响室尺寸为1.50m×1.44m×0.92m，其中装配两个机械搅拌器(一个水平方向，一个垂直方向)和一个机械转台。转台上装配多个高度可调的支架，支架偏离转台中心20cm(转台直径60cm)，且等间距的分布在转台上。选取标准喇叭天线作为发射天线，盘锥天线作为接收天线，盘锥天线和待测设备安装于不同的支架上。所述的可电调吸波超表面安装在混响室的其中一个腔壁上。

发射天线(标准喇叭天线)和接收天线(盘锥天线)分别连接到网络分析仪的两个端口，搅拌器和转台连接电机，通过工控机可以控制网络分析仪、电机和外置电路，进而控制收发天线S参数的采集和存储、搅拌器和转台的转动、以及吸波超表面各区域工作模式的切换。

本发明实施例的测试频段为2GHz～3GHz，搅拌器和转台独立转动，旋转一周分别有50和20个位置，即一次测试共有1000个搅拌位置；整个测试过程中，发射天线(标准喇叭天线)的位置保持不变。

为验证所设计的可电调吸波超表面是否能够有效校准混响室的相干带宽，本发明实施例对可电调吸波超表面的三种工作模式(全反射模式，全吸收模式和部分反射模式)进行了测试：

1.将所述的可电调吸波超表面部署在混响室的某一腔壁，并控制其全部区域工作于“全反射”模式，进行测试，得到1000组实验数据；

2.通过程序控制所述的可电调吸波超表面的全部区域工作于“全吸收”模式，进行测试，得到1000组实验数据；

3.通过程序控制所述的可电调吸波超表面的部分区域工作于“全吸收”模式，另一部分区域工作于“全反射”模式，进行测试，得到1000组实验数据。

所述的实验数据包括整个测试频段的S参数。

在可电调吸波超表面的三种工作模式下，分别处理实验数据。根据以下(1)式计算间隔Δf的两个信道传输函数的复自相关系数，复自相关系数的模(|ρ_f(Δf)|)反映了两个信道传输函数的相关性：其值越大，信道传输函数间的相关性越高，其值越小，信道传输函数间的相关性越低。

其中，S₂₁(f)是网络分析仪记录的第f个频点的S₂₁参数，Δf是两个信道传输函数之间的频率间隔，*表示共轭运算符，

表示求N个样本的统计平均，在本实施例中N＝1000。

相干带宽定义为|ρ_f(Δf)|从1下降到指定阈值时所覆盖的频率范围，阈值的取值通常为0.5,0.7,0.9，本实施例选取阈值为0.5。通过(1)式计算得到不同场景下的|ρ_f(Δf)|如图6所示，可以看出：当可电调吸波超表面工作于“全反射”和“全吸收”两种模式时，相干带宽分别为2.5MHz和4MHz，即可电调吸波超表面对相干带宽的校准范围为2.5MHz～4MHz。当通过程序控制可电调吸波超表面工作于“部分反射”模式时，相干带宽被校准为3.4MHz。本实施例所采用的可电调超表面的面积(0.5m×0.5m)远小于混响室的腔壁面积，因此相干带宽的可校准范围(1.5MHz)也相对较小。可以通过增大可电调超表面的面积，即增加超表面单元的数量，扩大相干带宽的可校准范围。

通过本实施例可以得出以下结论：1)通过控制可电调吸波超表面上各区域的工作状态(反射或吸收)，可以有效地校准混响室的相干带宽。2)通过控制可电调吸波超表面上不同工作模式下区域的大小，可以实现相干带宽的细微校准。3)本发明所设计的可电调吸波超表面不会减小混响室的有效工作区域，校准及测试方法简单便捷，可与传统的吸波材料同时使用，大大提高了空口测试的灵活性。

Claims (5)

1.一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1：在混响室中部署发射天线和接收天线，并在混响室的一个或多个腔壁上部署可电调吸波超表面；

步骤2：控制所述可电调吸波超表面的全部区域工作于全反射模式，测试并计算相干带宽，该相干带宽是可校准的最小值；

步骤3：切换所述可电调吸波超表面的全部区域工作于全吸收模式，测试并计算相干带宽，该相干带宽是可校准的最大值；

步骤4：确认目标相干带宽是否在可校准的范围内，如果不在可校准范围内，在混响室的其他腔壁上增加可电调吸波超表面，返回步骤2；

步骤5：如果目标相干带宽接近可校准的最小值，在步骤2中可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全吸收状态的区域，测试并计算相干带宽；如果目标相干带宽接近可校准的最大值，在步骤3中可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全反射状态的区域，测试并计算相干带宽；

步骤6：比较目标相干带宽和计算的相干带宽，如果目标相干带宽小于计算的相干带宽，在可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全反射状态的区域；如果目标相干带宽大于计算的相干带宽，在可电调吸波超表面的工作状态下，增加工作于全吸收状态的区域，完成测试并计算相干带宽；

步骤7：重复步骤6，直到将混响室的相干带宽校准到目标相干带宽。

2.根据权利要求1所述的一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，其特征在于，所述的可电调吸波超表面是一种电磁超表面，分为一定数量的可独立工作于全反射模式或全吸收模式的区域。

3.根据权利要求2所述的一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，其特征在于，所述的电磁超表面由一定数量的电磁超表面单元构成，所述的一定数量取决于测试的频率范围和所需的吸波能力，数量越多，吸波能力越强，其最大值取决于所部署的混响室的腔壁的大小。

4.根据权利要求2所述的一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，其特征在于，所述的电磁超表面的每个单元加载了一个PIN二极管，当PIN二极管工作于“开”状态时，所述的可电调吸波超表面工作于“全反射”模式；当PIN二极管工作于“关”状态时，所述的可电调吸波超表面工作于“全吸收”模式。

5.根据权利要求1所述的一种利用可电调吸波超表面快速校准混响室相干带宽的方法，其特征在于，所述的混响室中，装配有两个机械搅拌器和一个机械转台，所述的机械搅拌器一个水平方向，一个垂直方向，转台上装配多个高度可调的支架，支架靠近转台边缘，且等间距的分布在转台上，所述的发射天线为标准喇叭天线，部署在混响室的其中一个腔壁上，所述的接收天线为盘锥天线，部署在转台的一个支架上，所述的可电调吸波超表面安装在混响室的其中一个或多个腔壁上。

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