一文全面透析5G毫米波緊縮場

一、研究目的與意義

5G相關技術在近年來成為了各國研究人員的一大關注重點。而5G新引入的毫米波段，對傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。而為了更好地滿足對5G毫米波段測試系統(tǒng)的測量距離、電磁環(huán)境、測量設備等要求，最早應用于微波頻段的緊縮場技術（CompactAntenna Test Range，CATR）被提出延伸至毫米波頻段。本研究項目是在上述研究背景下，對應用于適用于5G的毫米波頻段的緊縮場的可行性以及設計方案進行論證。

1.1

隨著對天線與雷達目標特性研究的不斷深入，尤其是電大尺寸目標與天線、超低副瓣天線以及目標探測與識別的研究發(fā)展，人們對測量的要求也在不斷提高，主要表現(xiàn)在測量距離、電磁環(huán)境、測量設備三個方面。首先，為保證天線與目標特性測量的客觀、準確，測量必須在一個滿足遠區(qū)條件的場地中進行。

在通信和雷達系統(tǒng)的實際工作條件下，接收天線或者雷達需要探測的目標與發(fā)射天線的距離往往遠大于天線口徑和天線的電尺寸，即接收天線或目標處于發(fā)射天線遠區(qū)場的一個很小的局部區(qū)域，此時發(fā)射天線輻射至接收機或者目標處的電磁波非常接近于均勻平面波。為保證測量條件與實際工作條件接近，理想測量場地應能保證均勻平面波照射待測天線或目標。一般來說，高增益、低副瓣的天線測量，高精度的電大尺寸目標特性測量，所要求的遠區(qū)距離也就越大。第二，為保證足夠的測量精度，應使測量場地反射波和外界輻射源的影響降低到最低限度，測量對電磁環(huán)境的要求較高。

如果可能，都應使測量在電波無回波屏蔽室內(nèi)完成，這將非?？赡軐е逻h區(qū)距離需求與室內(nèi)有限空間之間的矛盾。第三，測量設備應該能夠提供不同極化狀態(tài)、寬頻帶的幅度和相位信息，并且具有足夠的精度和較高的測量效率。緊縮場測量系統(tǒng)能滿足天線與目標特性測量的測量距離、電磁環(huán)境、測量設備三方面要求。對緊縮場技術的深入研究與測量系統(tǒng)實現(xiàn)，已經(jīng)成為天線測量、目標特性測量以及電磁兼容測量技術研究領域的前沿課題。

圖1 天線場區(qū)劃分及不同場區(qū)方向圖示意

圖1給出了天線場區(qū)的劃分以及對應的方向圖示意。理想的測量場地應該滿足均勻平面波條件，即等相位面是一個平面，并且在電磁波傳播的方向上沒有幅度衰減。天線的方向圖、增益、極化等電參數(shù)測量是在滿足遠區(qū)距離條件的外場進行的。根據(jù)天遠場測試條件可知，當目標尺寸D很大而波長很短時，測試距離R必須很大，有些天線的最小測試距離可能需要幾公里乃至幾十公里，實際中無法實現(xiàn)。另外，外場測試還存在受氣候影響大、保密性差、背景電平高等缺點。為解決上述問題，20世紀90年代以后，人們越來越多地關注緊縮場（CompactAntenna Test Range， CATR）技術的發(fā)展和應用。

它采用精密的反射面，配合饋源的合理照射，可在近距離上獲得較為理想的均勻平面波，從而滿足遠場測試要求。緊縮場已成為是天線測量的重要手段，但緊縮場研制難度很大，其性能會影響到測試的精度和可靠性。

緊縮場系統(tǒng)主要由緊縮場天線和微波暗室兩部分組成，根據(jù)緊縮場天線的不同，緊縮場系統(tǒng)可分為三種基本類型：反射面型、透鏡型、全息緊縮場。相對于外場和微波暗室內(nèi)近場，緊縮場的優(yōu)點主要有三：一、緊縮場產(chǎn)生的平面波將聚集在平行波束內(nèi)，暗室內(nèi)四個側壁的照射電平很低，從而降低了對暗室的要求。二、室內(nèi)緊縮場保密性好，室內(nèi)緊縮場受氣候境影響小，改善了測試條件，提高了RCS測試效率。三、緊縮場工作頻率很寬，可以滿足毫米波和亞毫米波測試要求。

1.2暗室技術簡介

暗室（AnechoicChamber）技術是上世紀50年代初發(fā)展起來的，當時美國麻省理工學院輻射實驗室的工作人員將海綿浸入石墨水中，充分擠壓，使海綿中吸入足量的石墨水，而后將其中的水分烘干，這樣石墨粉末便充滿了整個海綿；再將其用高溫細線切割成角錐形，從而構成了最初的吸波材料；最后將該材料貼在房間的墻壁上，這就構成了第一個微波暗室。

所謂的微波暗室，簡單地說，就是通過在擬作暗室的房間內(nèi)壁上鋪設無線電吸收材料，使墻壁反射減少到最低程度，從而在房間內(nèi)部出現(xiàn)一個幾乎無回波、近似“自由空間”的區(qū)域，以便對各種類型的無線電系統(tǒng)進行測試，尤其是對天線參數(shù)的測試和對雷達目標散射特性的測量等。

微波暗室的作用是顯而易見的，有了這個設施，就可以大大縮短試驗時間，實現(xiàn)測量設備自動化，無論在任何天氣條件下進行測試都不受影響，而且測量精度比較理想。

在微波暗室中，最關注的就是其靜區(qū)的性能。所謂“靜區(qū)”，就是指暗室內(nèi)受各種雜波干擾最小的特定測試區(qū)域。靜區(qū)的形狀、大小及性能主要是由暗室的類型、大小、工作頻率及吸波材料的性能等因素決定的；靜區(qū)的優(yōu)劣乃是衡量微波暗室性能的主要指標。而微波暗室的性能如何，則對緊縮場系統(tǒng)具有直接影響。

在設計暗室時，可以設定各種不同的邊界條件，對尖劈的高度、頂角、吸波材料及暗室的長、寬、高和入射角的變化等參數(shù)加以改變和優(yōu)化，得出一系列靜區(qū)大小的數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同的要求，選擇不同性能和形狀的材料，就可以篩選出暗室設計的最佳方案。

二、緊縮場的各類系統(tǒng)介紹

在緊縮場系統(tǒng)中，可以利用電磁波的折射、反射和衍射，借助于反射面、透鏡或者全息技術來獲得滿足測量要求的近似均勻平面波照射，以達到縮短測量距離目的。緊縮場中用于形成近似均勻平面波的透鏡或者反射面、全息片等裝置及其安裝所需的附屬物構成準直器（Collimator）。準直器必須和經(jīng)過良好設計、安裝與調(diào)校的饋源一起工作。

緊縮場建造過程中，必須采取措施削弱準直器本身繞射、環(huán)境反射、外部干擾等因素對近似均勻平面波區(qū)域的擾動。緊縮場中受擾動較少、滿足測量要求的近似均勻平面波區(qū)域也被人們形象地稱為靜區(qū)。緊縮場測量是一種等效的遠區(qū)場測量，但待測天線或目標并不處于準直器和饋源組成的等效天線的遠區(qū)，而是處于輻射近區(qū)（Fresnel區(qū)）。由于饋源和準直器結構的多樣性，進行天線輻射近區(qū)場結構的統(tǒng)一表述是困難的，但可以從下面三點來理解緊縮場的輻射近區(qū)中存在近似均勻平面波區(qū)域：

首先，饋源與準直器之間的距離滿足饋源的遠區(qū)距離條件，在這個距離條件下饋源的空間場結構已經(jīng)是遠區(qū)輻射場，表現(xiàn)為輻射電磁波。

其次，準直器的良好設計使得準直器將饋源的輻射電磁波轉化為均勻平面電磁波，能在與準直器一定的縱向距離范圍內(nèi)形成具有足夠大橫截面尺寸的靜區(qū)。

第三，饋源與準直器的良好設計與裝配使得二者間不存在影響靜區(qū)性能的互耦或者互耦非常微弱。

緊縮場通常建立在暗室內(nèi)，吸波材料的運用可以降低墻壁的背景反射電平，改善靜區(qū)性能。有的無回波室為了達到保密和減少外界干擾的目的，還在墻壁內(nèi)鋪設了屏蔽網(wǎng)，從而使得無回波室可以很好地滿足天線、目標特性、電磁兼容等各種電磁測量需求。

2.1 反射面緊縮場

2.1.1 反射面緊縮場的結構形式

根據(jù)實現(xiàn)近似均勻平面波的方式的不同，緊縮場系統(tǒng)可分為三類：反射面緊縮場、介質透鏡緊縮場和全息緊縮場。其中反射面緊縮場是至今技術發(fā)展最成熟的一種緊縮場，也是常規(guī)微波波段應用最廣泛的一類緊縮場，它的通用性和先進性已得到了全世界范圍的公認。因此，這里也著重闡述反射面緊縮場的設計。

根據(jù)副反射面數(shù)量的不同，反射面緊縮場可以分為單反射面緊縮場和多反射面緊縮場，而反射面的形狀可以是柱面或者旋轉拋物面等。圖2給出了單反射面緊縮場示意圖，圖3-6給出了多反射面緊縮場示意圖。

圖2 單反射面緊縮場

圖3 雙柱面緊縮場

圖4 格利高里緊縮場

圖5 卡塞格倫緊縮場

圖6 三反射面緊縮場

2.1.2 反射面的口徑設計以及邊緣繞射

反射面對靜區(qū)性能影響的主要因素有兩個——表面精度和邊緣結構，其中表面精度主要影響頻率高端的靜區(qū)性能，對反射器表面精度的一般要求為起伏均方根不超過（為最高頻率對應的波長），而邊緣結構對電磁波的繞射會影響全頻帶的靜區(qū)性能，并對頻率低端的靜區(qū)性能起決定性作用。為了獲得要求的靜區(qū)場分布，需要對反射面形狀和照射場分布進行優(yōu)化設計。根據(jù)場等效原理，這一問題可以轉化為對其口徑等效源輻射近場的分析和計算。

口徑優(yōu)化設計主要包括兩方面內(nèi)容，一方面是口徑整體形狀和邊緣結構的設計和處理，另一方面是口徑場分布的優(yōu)化設計。其基本原理是通過使電磁波在邊緣的能量分布逐漸降低，或使邊緣繞射方向分散、偏離，以達到減少邊緣繞射波對靜區(qū)擾動的目的。

口徑輻射的近區(qū)空域場形成不均勻的空間駐波分布，在頻率改變時，空域場分布隨之改變。為了考察口徑設計的優(yōu)劣，常規(guī)方法是在多個頻率下比較空間駐波的峰峰值或RMS值，并在全頻段進行綜合，工作量較大。而且由于這些指標只反映了多種繞射場并存條件下的總場變化，并沒有建立起與某一類型繞射場的直接關系，因而不能有針對性地指導和改進設計。

根據(jù)繞射理論，有限尺寸口徑可以看作是由口徑面和邊緣組成，口徑輻射近場可以認為是口徑面的直接輻射場和邊緣繞射場的疊加。在近場區(qū)。口徑的各個等效場源中心在時域具有不同的特征。具體表現(xiàn)為等效源中心到觀察點的距離不同。因而各繞射波到達觀察點的時刻不同。利用這種場的時域特征，可以將口徑直達波及各種繞射波成分在時域上分離，并進行定量描述，這為指導口徑設計帶來方便。

口徑設計需要考慮的基本問題有：口徑的擴散效應、整體形狀、口徑場錐削。

（1）口徑擴散效應

口徑擴散效應表現(xiàn)為，隨著觀察面到口徑距離增大，口徑邊緣繞射波和口徑面直達波到觀察點距離趨于一致，口徑利用率逐漸降低。良好的緊縮場口徑設計應該保證靜區(qū)主波和繞射波在時域上有良好的隔離，主波電平分布均勻，邊緣繞射電平低。

（2）整體形狀

整體形狀指口徑整體外形的輪廓?？趶秸w形狀對靜區(qū)場有較大影響，常用的緊縮場反射面口徑外形輪廓有圓形和方形兩種。方口徑中心軸線上邊緣繞射波影響要遠小于圓口徑，因而比較適合用于緊縮場設計。方口徑在水平和豎直方向都能獲得較理想的場性能，并且相對于圓口徑不會在軸線上出現(xiàn)較大的駐波起伏。

（3）口徑場錐削

為了抑制或消除口徑邊緣繞射在近場區(qū)的影響，一般將口徑場設計成從中心到邊緣呈錐削分布。在緊縮場設計中，不僅要消除口徑邊緣繞射對近區(qū)場的影響，而且要使近場區(qū)場幅度呈均勻分布。這就要求盡量減少口徑場錐削度，與降低繞射場電平的要求形成矛盾，為此，可采用一種基于多項式設計的理想連續(xù)錐削分布。

在緊縮場工程設計中，可以通過對饋源方向圖的設計，使反射面口徑場呈一定錐削分布，但很難實現(xiàn)理想的連續(xù)錐削。為此，一般將反射面邊緣設計成如圖8所示的鋸齒形狀，使口徑場呈現(xiàn)等效的連續(xù)錐削。鋸齒設計難以達到理想連續(xù)錐削設計效果，但要優(yōu)于均勻分布的圓口徑和方口徑。在緊縮場工程中，針對具體要求，可以對邊齒參數(shù)進一步改進設計，如調(diào)整邊齒個數(shù)、齒間距離等，以期獲得更好的結果。

（a）直角直邊齒

（b）直角曲邊齒

圖7 反射面邊緣形狀

實際上，反射面邊緣類型有刀形邊緣、鋸齒邊緣、卷繞邊緣三種，如圖8所示，它們對靜區(qū)產(chǎn)生的影響也不一樣。

圖8 邊緣繞射示意圖

圖8（a）是刀形邊緣示意，這種邊緣產(chǎn)生的繞射在垂直于邊緣的平面上最強，將對靜區(qū)性能造成嚴重影響。這種邊緣出現(xiàn)在早期的緊縮場準直器上，現(xiàn)在個別大口徑時域緊縮場系統(tǒng)的準直器上仍然可以看見。

圖8（b）是鋸齒形邊緣示意，由于鋸齒的傾斜，繞射線被斜邊引導偏離靜區(qū)，所以鋸齒邊緣可以改善靜區(qū)平面波質量。這種邊緣設計的研究比較深入，也是當前最常用的緊縮場邊緣。

圖8（c）是卷繞邊緣示意，卷繞設計延伸了反射面，邊緣終止前經(jīng)歷一段漸進變化區(qū)，使得繞射射線指向靜區(qū)以外的其他方向。卷繞邊緣設計被用于高頻段的準直器上，雖然它從原理上講具有很大的優(yōu)勢，但其設計復雜，制作工藝更是困難，因而沒有被用于大型、寬帶的緊縮場中。

2.1.3 反射面緊縮場靜區(qū)的干擾源及分析方法

在緊縮場電氣測試調(diào)整中，需要解決的一個關鍵問題是有效地排除或控制干擾源對靜區(qū)場的擾動。靜區(qū)干擾波泛指除反射面反射主波以外所有通過其它路徑到達靜區(qū)的電磁波。如圖9所示，靜區(qū)內(nèi)的干擾場主要來自于以下幾個方面：

（1）饋源—》靜區(qū)觀察點；

（2）饋源—》反射面邊緣（縫隙）—》靜區(qū)觀察點；

（3）饋源—》暗室四壁和地面測試支架等—》靜區(qū)觀察點；

（4）饋源—》障礙物—》反射面—》靜區(qū)觀察點；

（5）系統(tǒng)其它多次反射和耦合—》靜區(qū)觀察點。

圖9 靜區(qū)干擾源示意圖

緊縮場靜區(qū)場不是準直器的口徑場，更不是準直器天線的遠場，因此既不能采用簡單的口徑場計算方法，也不能采用遠場近似。在低頻區(qū)域，尚可采用矩量法、有限元法、時域有限差分法等數(shù)值計算方法較為精確地分析靜區(qū)性能，但此時緊縮場的建設必要性不大，因為在“緊縮”的空間內(nèi)很難得到可用的靜區(qū)，而這時又可以使用常規(guī)遠場測量實現(xiàn)。

在高頻區(qū)域使用嚴格的解析方法或者數(shù)值計算方法來求解饋源和龐大的、帶有復雜邊緣結構的準直器曲面所共同確定的邊值問題至少在現(xiàn)階段計算機技術條件下看來是不現(xiàn)實的，因此必須對物理模型作出合理的假設和簡化。這些假設和簡化主要有兩種：

第一，物理光學近似，即在饋源的場結構已知，且反射面對饋源特性沒有影響的前提下，靜區(qū)場近似為饋源在反射面上的感應電流所產(chǎn)生的場，這種近似對應了物理光學法。物理光學法是一種直接積分的方法，它在準直器曲率半徑較大、饋源對準直器邊緣照射幅度較小的時候具有較高的精度，缺陷是由于準直器尺寸很大、靜區(qū)三維取樣點多，對應積分的計算需要很長時間。

第二，幾何繞射理論，即假定饋源的場結構己知，考慮反射面邊緣繞射場來取代邊緣截斷必須滿足的電流連續(xù)性條件，則靜區(qū)場等于幾何光學場與邊緣繞射場的疊加。幾何繞射理論的計算速度快，主要缺陷是射線尋跡困難，這是由于準直器邊緣通常都經(jīng)過復雜的處理造成的。多次繞射的射線尋跡則更加困難，當然，由于邊緣的一次繞射對靜區(qū)的影響是主要的，所以在采用幾何繞射理論分析時還常常作出忽略多次繞射的近似。

為了更準確的評估反射面緊縮場的靜區(qū)性能，通常需要考慮饋源輻射幅度、相位的不均勻性的影響?？梢岳靡恍┑皖l電磁場分析方法，例如矩量法、有限元法、時域有限差分法等，求出饋源上的電流分布，得到饋源輻射的幅度、相位數(shù)據(jù)，然后運用物理光學或幾何繞射理論，得出靜區(qū)場的頻域和時域特性。

2.2 介質透鏡緊縮場

反射面緊縮場研究的不斷深入使得該項技術迅速成熟并得以實用，但在微波頻率高端的特殊應用中，要使反射面精度滿足起伏小于0.01波長的一般要求，就要付出很高的代價，此時介質透鏡緊縮場和全息緊縮場就成為經(jīng)濟實用的選擇，透鏡緊縮場、全息緊縮場的待測對象和饋源分別處于準直器的兩側，因此可以方便地在準直器周圍放置吸波材料，削弱繞射對靜區(qū)性能的影響。圖10給出了介質透鏡緊縮場的示意圖。

圖10 介質透鏡緊縮場示意圖

2.3 全息緊縮場

近十年來，全息緊縮場技術由赫爾辛基理工大學發(fā)展起來并得以應用。當頻率高于200GHz時，全息緊縮場成為很好的選擇，但它的結構特點決定了其極化單一和頻帶較窄的固有缺陷，好在它的成本不高，全息片的加工也方便，可以制作不同的全息片來滿足不同極化和不同頻帶的緊縮場測量需求，這也使得全息緊縮場的建立相對反射面和透鏡緊縮場要方便，在毫米波導引頭、衛(wèi)星通信與遙感等領域有很高的應用價值。圖11給出了全息緊縮場的示意圖。

圖11 基于微波全息技術的緊縮場測量系統(tǒng)

根據(jù)已知入射光和需要的出射光，借助計算機輔助計算，設計制作全息光柵，從而達到獲得所需出射光（電磁場）的目的。全息光柵結構分為二元相位和二元幅度光柵結構，相位和幅度傳輸系數(shù)分別為兩組離散的值。比如二元幅度全息光柵，對輻照在它上面的光要么完全透射（傳輸系數(shù)為1），要么完全阻擋（傳輸系數(shù)為0）。

出射場的相位由全息光柵板上的透射槽的位置和深度決定，而出射場的幅度由透射槽的寬度決定。全息衍射光柵的這種二元結構主要功能就是把各階全息衍射的能量進行重新分配組合，設計全息衍射光柵的幾何結構，獲取需要的靜區(qū)場。圖12為全息衍射光柵的局部結構截面圖。對相位全息光柵來說，介質基材上凹槽的寬度w和深度h決定出射場相位，對幅度全息結構來說，因為介質基上的金屬層的厚度是固定的，所以只需要優(yōu)化蝕刻槽的寬度w即可得到需要的場。

（a）截面圖

（b）正視圖

圖12 全息衍射光柵結構圖

編輯：jq