CN115753837B - 一种平面波生成器及平面波生成器测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线测量技术领域，本发明公开了一种平面波生成器及平面波生成器测试系统。该平面波生成器包括屏蔽暗室、天线阵列组件和待测天线组件，该天线阵列组件和该待测天线组件位于该屏蔽暗室内，该天线阵列组件包括天线阵列和模拟移相器；该天线阵列用于发射平面波，该天线阵列包括N个阵元，该N为大于等于2的整数，该模拟移相器包括N个子移相器；该N个阵元中的每个阵元与该N个子移相器中对应的一个子移相器的馈电线路连接。本发明提供的该平面波生成器采用模拟形式实现幅相控制电路，同时利用阵列稀疏化有效地减少了天线数量和馈电网路复杂度，从而在保证测试系统精度的同时有效地降低了成本，具有精度高、成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及天线测量技术领域，特别涉及一种平面波生成器及平面波 生成器测试系统。
背景技术
随着无线电技术设备的应用越来越广泛，对其相关研究也越来越重要， 在无线电技术设备中，通常基于电磁波来进行信号传输，而能够产生辐射 的装置为天线，可见，天线是无线电信号传输的重要部分。
随之，对天线的主要性能参数指标进行确定也是非常重要的，通常， 可以基于以下三种方式对天线进行测量。第一种为远场法，通过一个远处 的发射器向接收天线发送一个基本上平面极化的波,接收天线接收信号的 幅度和相位由人或者仪器记录下来,通过改变准平面波的入射角度,从而得 到接收天线的远场方向图，但该种测试方法具有场地空间尺寸很大，占地成本和造价高，传播损耗大，测试时间长、测试成本高的缺点；第二种为 紧缩场测量法，利用微波透镜或抛物面反射器将探头产生的球面波前在待 测天线处转变为平面波前，因此降低了对测试距离的要求,测量可以在微波 暗室中进行,避免了远场法的一些缺点，但是为了产生精度比较好的平面波, 以及减少抛物面天线的边缘绕射干扰,对抛物面天线的制作工艺要求就很 高，且后期维护成本高，建设成本较高，方向图的测试效率较低；第三种 为近场方法，用一个以适当的方式激励的探头阵列来代替紧缩场这种方法可以对测试区域的场进行更高程度的控制而且适用于低频情况。然而,依赖 于平面波区域的大小和测量距离,我们经常需要非常大数目的探头,对每一 个探头施加一个考虑互耦的幅相激励，该方法具有背瓣数据采集不完整， 且无法直接测量等效全向辐射功率(equivalent isotropically radiated power，EIRP)、误差向量幅度(Error VectorMagnitude，EVM)、电化学 阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)等射频指标。
上述三种方式均具有一定局限性，而采用平面波生成器的测试系统， 可以通过调整控制阵列单元的位置、数量和激励(幅度和相位)来实现在 阵列近场范围内形成一个准平面波，形成测试待测天线的远场条件，从而 有效降低天线测量场地的尺寸，具有尺寸紧凑、造价适宜、能够直接测量 5G基站射频和业务信号等优点。因此，PWG在天线测试中的应用将越来越 广泛。
由于现有技术中的平面波生成器中的天线阵列往往是一个密集形式的 阵列，而每个天线单元后端接有相应的幅度和相位控制电路。使得该系统 的结构复杂且成本高。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中平面波生成器结构复杂且成本高的问题。
为解决上述技术问题，本申请在一方面公开了一种平面波生成器，其 包括屏蔽暗室、天线阵列组件和待测天线组件；
该天线阵列组件和该待测天线组件位于该屏蔽暗室内；
该天线阵列组件包括天线阵列和模拟移相器；该天线阵列用于发射平 面波；
该天线阵列包括N个阵元，该N为大于等于2的整数；
该模拟移相器包括N个子移相器；
该N个阵元中的每个阵元与该N个子移相器中对应的一个子移相器的 馈电线路连接，该馈电线路的长度和该每个阵元输出平面波的相位存在以 下关系：
其中，为每个阵元输出平面波的相位，λ为波长，ι为馈电线路的长 度；
该子移相器用于通过不同长度的该馈电线路实现对该每个阵元输出平 面波的相位的控制，该相位的单位为度。
可选的，该模拟移相器包括L个移相器组，该L为大于等于1的整数；
该L个移相器组中每个移相器组的任意两个子移相器对应的馈电线路 的功率之差小于等于预设阈值。
可选的，该天线阵列组件还包括M个功分器，且M＝L+1；
该M个功分器中的一个功分器与剩余M-1个功分器分别连接；
该一个功分器分别与计算机、失量网络分析仪连接；
该剩余M-1个功分器中的每个功分器与该L个移相器组中对应的一个 移相器组中的所有子移相器通过馈电线路连接。
可选的，该功分器包括威尔金森功分器。
可选的，该待测天线组件包括转轴结构、支撑板和待测天线；
该转轴结构的底部设于屏蔽暗室的底部；
该转轴结构与支撑板转动连接；
该待测天线设于该支撑板上，且该支撑板位于由该天线阵列组件形成 的静区。
可选的，该每个子移相器的输出相位相同。
可选的，该天线阵列的稀疏化类型包括等张角非均匀稀疏化或者密度 锥削稀疏化。
可选的，利用正交匹配抽取算法确定出该天线阵列的稀疏化参数。
本申请在另一方面还公开了一种平面波生成器测试系统，其包括上述 的平面波生成器。
可选的，还包括连接的矢量网络分析仪和计算机；
该矢量网络分析仪分别与该模拟移相器连接、该待测天线组件和该计 算机连接；该矢量网络分析仪用于产生赫兹信号，将该赫兹信号发送给该 天线阵列组件，并接收该待测天线组件发送的数据信号，根据该赫兹信号 和数据信号确定出比对结果，并将该比对结果发送给该计算机；
该计算机分别与该模拟移相器连接和该待测天线组件连接；该计算机 用于调整该待测天线组件的转动角度和控制该天线阵列组件发射的平面波 的幅相，并根据接收到的该比对结果确定出该待测天线组件中的待测天线 的参数。
采用上述技术方案，本申请提供的平面波生成器具有如下有益效果：
本申请提供的该平面波生成器包括屏蔽暗室、天线阵列组件和待测天 线组件，该天线阵列组件和该待测天线组件位于该屏蔽暗室内，该天线阵 列组件包括天线阵列和模拟移相器；该天线阵列用于发射平面波，该天线 阵列包括N个阵元，该N为大于等于2的整数，该模拟移相器包括N个子移相器；该N个阵元中的每个阵元与该N个子移相器中对应的一个子移相 器的馈电线路连接，该馈电线路的长度除以波长再乘以360度等于该每个 阵元输出平面波的相位，从而使得该子移相器用于通过不同长度的该馈电 线路实现对该每个阵元输出平面波的相位的控制，降低了对移相器的精度 和成本的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性 劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种可选的平面波生成器的结构示意图；
图2为本申请另一种可选的平面波生成器的结构示意图；
图3为本申请一种可选的幅相控制器的结构示意图；
图4为本申请一种可选的待测天线组件的结构示意图；
图5为本申请一种可选的等张角非均匀稀疏化阵列；
图6为本申请一种可选的密度锥削稀疏化阵列；
图7为本申请一种可选的平面波生成器测试系统的结构示意图。
以下对附图作补充说明：
1-屏蔽暗室；2-天线阵列组件；21-天线阵列；22-幅相控制器；221- 模拟移相器；222-功分器；3-待测天线组件；31-转轴结构；311-支撑台； 312-转轴；32-支撑板；33-待测天线；4-静区；5-矢量网络分析仪；6-计算机。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进 行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没 有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护 的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一 个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的 是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基 于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而 不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第 二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明 所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以 明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第 二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。 应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
参阅图1，图1为本申请一种可选的平面波生成器的结构示意图。该平 面波生成器包括屏蔽暗室1、天线阵列组件2和待测天线组件3，该天线阵 列组件2和该待测天线组件3位于该屏蔽暗室1内；该天线阵列组件2包 括天线阵列21和模拟移相器221；该天线阵列21用于发射平面波，该天线 阵列21包括N个阵元，该N为大于等于2的整数，该模拟移相器221包括 N个子移相器，该N个阵元中的每个阵元与该N个子移相器中对应的一个子 移相器的馈电线路连接，该馈电线路的长度和该每个阵元输出平面波的相 位存在以下关系：
其中，为每个阵元输出平面波的相位，λ为波长，ι为馈电线路的长 度，该子移相器用于通过不同长度的该馈电线路实现对该每个阵元输出平 面波的相位的控制，由于本申请基于馈电线路来实现不同相位的控制，从而对移相器的精度和成本要求不高，即避免了价格昂贵的数字移相器；甚 至可以使子移相器的输出的原始相位相同，只需要基于馈电线路的长度进 行调整。
需要说明的是，上述波长为平面波的波长。
为了提高该生成器的应用灵活性；于一种可选的实施方式中，该天线 阵列21还包括N个功分器222，一个功分器222与一个子移相器一一对应 连接。
为了进一步降低上述实施例中功分器222的数量，进而降低该平面波 生成器的复杂度，进一步降低该平面波生成器的成本；于另一种可行的实 施例中，参阅图2-3，图2为本申请另一种可选的平面波生成器的结构示意 图。图3为本申请一种可选的幅相控制器的结构示意图，图3中的子移相 器11是指属于第一个移相器组的第一个子移相器，同理，子移相器12是 指属于第一个移相器组的第二个子移相器；子移相器1x是指属于第一个移相器组的第x个子移相器,该x小于n。该模拟移相器221包括L个移相器 组，该L为大于等于1的整数，该L个移相器组中每个移相器组的任意两 个子移相器对应的馈电线路的功率之差小于等于预设阈值。
为了降低平面波生成器的结构复杂度。于一种可行的实施例中，该天 线阵列组件2还包括M个功分器222，且M＝L+1；该M个功分器222和L个 移相器组构成幅相控制器22，该M个功分器222中的一个功分器222与剩 余M-1个功分器222分别连接，该一个功分器222分别与计算机6、失量网 络分析仪连接，该剩余M-1个功分器222中的每个功分器222与该L个移相器组中对应的一个移相器组中的所有子移相器通过馈电线路连接；举个 例子，上述L为3，则功分器222为4个，其中一个功分器222作为总功分 器，其余3个分别与一个移相器组中的每个子移相器连接，由于每组移相器中的每个馈电线路上的功率差不多，所以将其分为一组，并由一个功能 其进行分功率，在有效降低功分器222的个数的情况下，对功分器222的 分功要求不高，降低了成本。
于一种可行的实施例中，该功分器222包括威尔金森功分器，更进一 步地，为了便于进一步降低对功分器的要求以及后续的数据处理，该功分 器222可以是等功率功分器，即避免了价格昂贵的幅度衰减器，有效地降低了成本。
为了便于后续对待测天线进行测试，提高测试效率。于一种可行的实 施例中，参阅图4，图4为本申请一种可选的待测天线组件3的结构示意图。 该待测天线组件3包括转轴结构31、支撑板32和待测天线33，该转轴结 构31的底部设于屏蔽暗室1的底部，该转轴结构31与支撑板32转动连接，该待测天线33设于该支撑板32上，且该支撑板32位于由该天线阵列组件 2形成的静区4；于另一种可行的实施例中，该转轴结构31与支撑板32固 定连接，该转轴结构31与屏蔽暗室1的底部转动连接。
于一种可行的实施例中，参阅图4，该转轴结构31包括连接的支撑台 311和转轴312，该支撑台311位于该屏蔽暗室1的底部；该支撑板32与该转轴312转动连接；该转轴312与支撑台311固定连接；于另一种可选 行的实施例中，该转轴312与支撑板32转动连接，该支撑板32与该转轴 312固定连接，当然也可以将支撑台311与屏蔽暗室1的连接方式换为转动连接，相应的，其他连接处的连接关系则均为固定连接，也就是说，本申 请只需要保证上述三个连接处的任意一处是转动连接即可，只要能够实现 对支撑板32的转动角度的控制即可。
为了进一步降低对子移相器的要求，从而降低该生成器的成本；于一 种可行的实施例中，该每个子移相器的输出相位相同，后续只需要通过不 同长度的馈电线路来实现对平面波相位的改变即可。
需要说明的是，上述幅相控制器22，即移相器和功分器222、天线阵 列21用于合成平面波，该天线阵列21用于将合成的平面波发射出去，从 而在预设距离出形成静区4，该待测天线33即位于静区4中，该待测天线 33会接收上述平面波；当本申请采用上述分组的方式来生成平面波的过程 中，可以对一个组内的馈电线路中的幅度进行取平均值，然后基于固定的 功率再进行相应的平面波的合成，得到每个馈电线路对应的馈电电路中的 相位。
需要说明的是，这里的馈电电路是指由子移相器和对应的功分器222 连接形成的电路，该电路与外部直接器件(例如天线阵列21、后续的矢量 网络分析仪5)相连接，根据该馈电电路的构成的不同其对应的馈电线路的 长度也是不同的。
需要说明的是，该功分器222可以不设于平面波屏蔽暗室1内，即其 可以设于屏蔽暗室1外。
为了提高本申请的平面波生成器的应用范围的灵活性；于一种可行的 实施例中，参阅图5和6，图5为本申请一种可选的等张角非均匀稀疏化阵 列；图6为本申请一种可选的密度锥削稀疏化阵列。该天线阵列21的稀疏化类型包括等张角非均匀稀疏化或者密度锥削稀疏化。
于一种可行的实施例中，在形成上述系数化阵列的方法可以基于正交 匹配抽取算法确定；在本实施例中，可以基于以下步骤实现：
1)初始化：将迭代次数t＝1，设置第一位置集T，且该T为空集， 当后续每次迭代被选中的位置参数添加进这个子集作为新的一列)，残差 r0＝E0(E0为平面波场强分布)；稀疏系数集I内所有的元素初始化为零；
2)找出位置集合T′中与残差rt-1内积最大的那个位置hi,hi＝arg max {|<rt-1,hj>||1≤j≤KP}；将hi添加入T中，同时T′中去掉hi；
3)计算E0＝T·I的最小二乘解，即I＝(THT)-1TH·E0；
4)更新残差rt＝E0-T·I；更新t＝t+1；
5)判断是否达到迭代终止条件。若是，结束算法，输出稀疏系数I； 若否，步骤2),直至达到迭代终止条件，可选的，该迭代终止条件可以是 rt小于等于预设阈值，该预设阈值可以是0，或者0.01,0.1等。
参阅图7，图7为本申请一种可选的平面波生成器测试系统的结构示意 图。本申请在另一方面还公开了一种平面波生成器测试系统，其包括上述 的平面波生成器。
于一种可行的实施例中，参阅图7，该平面波生成器测试系统还包括连 接的矢量网络分析仪5和计算机6；该矢量网络分析仪5分别与该模拟移相 器221连接、该待测天线组件3和该计算机6连接；该矢量网络分析仪5 用于产生赫兹信号，将该赫兹信号发送给该天线阵列组件2，并接收该待测 天线组件3发送的数据信号，根据该赫兹信号和数据信号确定出比对结果，并将该比对结果发送给该计算机6；该计算机6分别与该模拟移相器221连 接和该待测天线组件3连接；该计算机6用于调整该待测天线组件3的转 动角度和控制该天线阵列组件2发射的平面波的幅相，并根据接收到的该 比对结果确定出该待测天线组件3中的待测天线33的参数。
需要说明的是，上述矢量网络分析仪5和计算机6均设于屏蔽暗室1 外部，上述矢量网络分析仪5以得到的比对结果主要是对待测天线33接收 到的平面波的幅度和相位比对分析的结果，该计算机6最终确定出的参数 主要是一些待测天线33的方向图，增益和波束宽度等参数信息，从而实现 对该待测天线33特性的确定。
以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，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)
1.一种平面波生成器，其特征在于，包括屏蔽暗室（1）、天线阵列组件（2）和待测天线组件（3）；
所述天线阵列组件（2）和所述待测天线组件（3）位于所述屏蔽暗室（1）内；
所述天线阵列组件（2）包括天线阵列（21）和模拟移相器（221）；所述天线阵列（21）用于发射平面波；
所述天线阵列（21）包括N个阵元，所述N为大于等于2的整数；
所述模拟移相器（221）包括N个子移相器；
所述N个阵元中的每个阵元与所述N个子移相器中对应的一个子移相器的馈电线路连接，所述馈电线路的长度和所述每个阵元输出平面波的相位存在以下关系：
其中，φ为每个阵元输出平面波的相位，为波长，/>为馈电线路的长度；
所述子移相器用于通过不同长度的所述馈电线路实现对所述每个阵元输出平面波的相位的控制。
2.根据权利要求1所述的平面波生成器，其特征在于，所述模拟移相器（221）包括L个移相器组，所述L为大于等于1的整数；
所述L个移相器组是通过对所述N个子移相器进行分组得到的；所述L小于或者等于N；
所述L个移相器组中每个移相器组的任意两个子移相器分别对应的馈电线路的功率之差小于等于预设阈值；
所述天线阵列组件（2）还包括M个功分器（222），且M=L+1；
所述M个功分器（222）中的一个功分器（222）与剩余M-1个功分器（222）分别连接；
所述一个功分器（222）分别与计算机（6）、失量网络分析仪连接；
所述剩余M-1个功分器（222）中的每个功分器（222）与所述L个移相器组中对应的一个移相器组中的所有子移相器通过所述馈电线路连接。
3.根据权利要求2所述的平面波生成器，其特征在于，所述功分器（222）包括等功率功分器。
4.根据权利要求2所述的平面波生成器，其特征在于，所述功分器（222）包括威尔金森功分器。
5.根据权利要求2所述的平面波生成器，其特征在于，所述待测天线组件（3）包括转轴结构（31）、支撑板（32）和待测天线（33）；
所述转轴结构（31）的底部设于所述屏蔽暗室（1）的底部；
所述转轴结构（31）与所述支撑板（32）转动连接；
所述待测天线（33）设于所述支撑板（32）上，且该支撑板（32）位于由该天线阵列组件（2）形成的静区（4）。
6.根据权利要求2所述的平面波生成器，其特征在于，所述每个子移相器的输出相位相同。
7.根据权利要求1-6任一项所述的平面波生成器，其特征在于，所述天线阵列（21）的稀疏化类型包括等张角非均匀稀疏化或者密度锥削稀疏化。
8.根据权利要求1-6任一项所述的平面波生成器，其特征在于，利用正交匹配抽取算法确定出所述天线阵列（21）的稀疏化参数。
9.一种平面波生成器测试系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的平面波生成器。
10.根据权利要求9所述的平面波生成器测试系统，其特征在于，还包括连接的矢量网络分析仪（5）和计算机（6）；
所述矢量网络分析仪（5）分别与所述模拟移相器（221）、所述待测天线组件（3）和所述计算机（6）连接；所述矢量网络分析仪（5）用于产生赫兹信号，将所述赫兹信号发送给所述天线阵列组件（2），并接收所述待测天线组件（3）发送的数据信号，根据所述赫兹信号和数据信号确定出比对结果，并将所述比对结果发送给所述计算机（6）；
所述计算机（6）分别与所述模拟移相器（221）和所述待测天线组件（3）连接；所述计算机（6）用于调整所述待测天线组件（3）的转动角度和控制所述天线阵列组件（2）发射的平面波的幅相，并根据接收到的所述比对结果确定出所述待测天线组件（3）中的待测天线（33）的参数。
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