一文全面透析5G毫米波紧缩场

一、研究目的与意义

5G相关技术在近年来成为了各国研究人员的一大关注重点。而5G新引入的毫米波段，对传统的测量系统提出了新的挑战。而为了更好地满足对5G毫米波段测试系统的测量距离、电磁环境、测量设备等要求，最早应用于微波频段的紧缩场技术（CompactAntenna Test Range，CATR）被提出延伸至毫米波频段。本研究项目是在上述研究背景下，对应用于适用于5G的毫米波频段的紧缩场的可行性以及设计方案进行论证。

1.1

随着对天线与雷达目标特性研究的不断深入，尤其是电大尺寸目标与天线、超低副瓣天线以及目标探测与识别的研究发展，人们对测量的要求也在不断提高，主要表现在测量距离、电磁环境、测量设备三个方面。首先，为保证天线与目标特性测量的客观、准确，测量必须在一个满足远区条件的场地中进行。

在通信和雷达系统的实际工作条件下，接收天线或者雷达需要探测的目标与发射天线的距离往往远大于天线口径和天线的电尺寸，即接收天线或目标处于发射天线远区场的一个很小的局部区域，此时发射天线辐射至接收机或者目标处的电磁波非常接近于均匀平面波。为保证测量条件与实际工作条件接近，理想测量场地应能保证均匀平面波照射待测天线或目标。一般来说，高增益、低副瓣的天线测量，高精度的电大尺寸目标特性测量，所要求的远区距离也就越大。第二，为保证足够的测量精度，应使测量场地反射波和外界辐射源的影响降低到最低限度，测量对电磁环境的要求较高。

如果可能，都应使测量在电波无回波屏蔽室内完成，这将非常可能导致远区距离需求与室内有限空间之间的矛盾。第三，测量设备应该能够提供不同极化状态、宽频带的幅度和相位信息，并且具有足够的精度和较高的测量效率。紧缩场测量系统能满足天线与目标特性测量的测量距离、电磁环境、测量设备三方面要求。对紧缩场技术的深入研究与测量系统实现，已经成为天线测量、目标特性测量以及电磁兼容测量技术研究领域的前沿课题。

图1 天线场区划分及不同场区方向图示意

图1给出了天线场区的划分以及对应的方向图示意。理想的测量场地应该满足均匀平面波条件，即等相位面是一个平面，并且在电磁波传播的方向上没有幅度衰减。天线的方向图、增益、极化等电参数测量是在满足远区距离条件的外场进行的。根据天远场测试条件可知，当目标尺寸D很大而波长很短时，测试距离R必须很大，有些天线的最小测试距离可能需要几公里乃至几十公里，实际中无法实现。另外，外场测试还存在受气候影响大、保密性差、背景电平高等缺点。为解决上述问题，20世纪90年代以后，人们越来越多地关注紧缩场（CompactAntenna Test Range， CATR）技术的发展和应用。

它采用精密的反射面，配合馈源的合理照射，可在近距离上获得较为理想的均匀平面波，从而满足远场测试要求。紧缩场已成为是天线测量的重要手段，但紧缩场研制难度很大，其性能会影响到测试的精度和可靠性。

紧缩场系统主要由紧缩场天线和微波暗室两部分组成，根据紧缩场天线的不同，紧缩场系统可分为三种基本类型：反射面型、透镜型、全息紧缩场。相对于外场和微波暗室内近场，紧缩场的优点主要有三：一、紧缩场产生的平面波将聚集在平行波束内，暗室内四个侧壁的照射电平很低，从而降低了对暗室的要求。二、室内紧缩场保密性好，室内紧缩场受气候境影响小，改善了测试条件，提高了RCS测试效率。三、紧缩场工作频率很宽，可以满足毫米波和亚毫米波测试要求。

1.2暗室技术简介

暗室（AnechoicChamber）技术是上世纪50年代初发展起来的，当时美国麻省理工学院辐射实验室的工作人员将海绵浸入石墨水中，充分挤压，使海绵中吸入足量的石墨水，而后将其中的水分烘干，这样石墨粉末便充满了整个海绵；再将其用高温细线切割成角锥形，从而构成了最初的吸波材料；最后将该材料贴在房间的墙壁上，这就构成了第一个微波暗室。

所谓的微波暗室，简单地说，就是通过在拟作暗室的房间内壁上铺设无线电吸收材料，使墙壁反射减少到最低程度，从而在房间内部出现一个几乎无回波、近似“自由空间”的区域，以便对各种类型的无线电系统进行测试，尤其是对天线参数的测试和对雷达目标散射特性的测量等。

微波暗室的作用是显而易见的，有了这个设施，就可以大大缩短试验时间，实现测量设备自动化，无论在任何天气条件下进行测试都不受影响，而且测量精度比较理想。

在微波暗室中，最关注的就是其静区的性能。所谓“静区”，就是指暗室内受各种杂波干扰最小的特定测试区域。静区的形状、大小及性能主要是由暗室的类型、大小、工作频率及吸波材料的性能等因素决定的；静区的优劣乃是衡量微波暗室性能的主要指标。而微波暗室的性能如何，则对紧缩场系统具有直接影响。

在设计暗室时，可以设定各种不同的边界条件，对尖劈的高度、顶角、吸波材料及暗室的长、宽、高和入射角的变化等参数加以改变和优化，得出一系列静区大小的数据，再根据不同的要求，选择不同性能和形状的材料，就可以筛选出暗室设计的最佳方案。

二、紧缩场的各类系统介绍

在紧缩场系统中，可以利用电磁波的折射、反射和衍射，借助于反射面、透镜或者全息技术来获得满足测量要求的近似均匀平面波照射，以达到缩短测量距离目的。紧缩场中用于形成近似均匀平面波的透镜或者反射面、全息片等装置及其安装所需的附属物构成准直器（Collimator）。准直器必须和经过良好设计、安装与调校的馈源一起工作。

紧缩场建造过程中，必须采取措施削弱准直器本身绕射、环境反射、外部干扰等因素对近似均匀平面波区域的扰动。紧缩场中受扰动较少、满足测量要求的近似均匀平面波区域也被人们形象地称为静区。紧缩场测量是一种等效的远区场测量，但待测天线或目标并不处于准直器和馈源组成的等效天线的远区，而是处于辐射近区（Fresnel区）。由于馈源和准直器结构的多样性，进行天线辐射近区场结构的统一表述是困难的，但可以从下面三点来理解紧缩场的辐射近区中存在近似均匀平面波区域：

首先，馈源与准直器之间的距离满足馈源的远区距离条件，在这个距离条件下馈源的空间场结构已经是远区辐射场，表现为辐射电磁波。

其次，准直器的良好设计使得准直器将馈源的辐射电磁波转化为均匀平面电磁波，能在与准直器一定的纵向距离范围内形成具有足够大横截面尺寸的静区。

第三，馈源与准直器的良好设计与装配使得二者间不存在影响静区性能的互耦或者互耦非常微弱。

紧缩场通常建立在暗室内，吸波材料的运用可以降低墙壁的背景反射电平，改善静区性能。有的无回波室为了达到保密和减少外界干扰的目的，还在墙壁内铺设了屏蔽网，从而使得无回波室可以很好地满足天线、目标特性、电磁兼容等各种电磁测量需求。

2.1 反射面紧缩场

2.1.1 反射面紧缩场的结构形式

根据实现近似均匀平面波的方式的不同，紧缩场系统可分为三类：反射面紧缩场、介质透镜紧缩场和全息紧缩场。其中反射面紧缩场是至今技术发展最成熟的一种紧缩场，也是常规微波波段应用最广泛的一类紧缩场，它的通用性和先进性已得到了全世界范围的公认。因此，这里也着重阐述反射面紧缩场的设计。

根据副反射面数量的不同，反射面紧缩场可以分为单反射面紧缩场和多反射面紧缩场，而反射面的形状可以是柱面或者旋转抛物面等。图2给出了单反射面紧缩场示意图，图3-6给出了多反射面紧缩场示意图。

图2 单反射面紧缩场

图3 双柱面紧缩场

图4 格利高里紧缩场

图5 卡塞格伦紧缩场

图6 三反射面紧缩场

2.1.2 反射面的口径设计以及边缘绕射

反射面对静区性能影响的主要因素有两个——表面精度和边缘结构，其中表面精度主要影响频率高端的静区性能，对反射器表面精度的一般要求为起伏均方根不超过（为最高频率对应的波长），而边缘结构对电磁波的绕射会影响全频带的静区性能，并对频率低端的静区性能起决定性作用。为了获得要求的静区场分布，需要对反射面形状和照射场分布进行优化设计。根据场等效原理，这一问题可以转化为对其口径等效源辐射近场的分析和计算。

口径优化设计主要包括两方面内容，一方面是口径整体形状和边缘结构的设计和处理，另一方面是口径场分布的优化设计。其基本原理是通过使电磁波在边缘的能量分布逐渐降低，或使边缘绕射方向分散、偏离，以达到减少边缘绕射波对静区扰动的目的。

口径辐射的近区空域场形成不均匀的空间驻波分布，在频率改变时，空域场分布随之改变。为了考察口径设计的优劣，常规方法是在多个频率下比较空间驻波的峰峰值或RMS值，并在全频段进行综合，工作量较大。而且由于这些指标只反映了多种绕射场并存条件下的总场变化，并没有建立起与某一类型绕射场的直接关系，因而不能有针对性地指导和改进设计。

根据绕射理论，有限尺寸口径可以看作是由口径面和边缘组成，口径辐射近场可以认为是口径面的直接辐射场和边缘绕射场的叠加。在近场区。口径的各个等效场源中心在时域具有不同的特征。具体表现为等效源中心到观察点的距离不同。因而各绕射波到达观察点的时刻不同。利用这种场的时域特征，可以将口径直达波及各种绕射波成分在时域上分离，并进行定量描述，这为指导口径设计带来方便。

口径设计需要考虑的基本问题有：口径的扩散效应、整体形状、口径场锥削。

（1）口径扩散效应

口径扩散效应表现为，随着观察面到口径距离增大，口径边缘绕射波和口径面直达波到观察点距离趋于一致，口径利用率逐渐降低。良好的紧缩场口径设计应该保证静区主波和绕射波在时域上有良好的隔离，主波电平分布均匀，边缘绕射电平低。

（2）整体形状

整体形状指口径整体外形的轮廓。口径整体形状对静区场有较大影响，常用的紧缩场反射面口径外形轮廓有圆形和方形两种。方口径中心轴线上边缘绕射波影响要远小于圆口径，因而比较适合用于紧缩场设计。方口径在水平和竖直方向都能获得较理想的场性能，并且相对于圆口径不会在轴线上出现较大的驻波起伏。

（3）口径场锥削

为了抑制或消除口径边缘绕射在近场区的影响，一般将口径场设计成从中心到边缘呈锥削分布。在紧缩场设计中，不仅要消除口径边缘绕射对近区场的影响，而且要使近场区场幅度呈均匀分布。这就要求尽量减少口径场锥削度，与降低绕射场电平的要求形成矛盾，为此，可采用一种基于多项式设计的理想连续锥削分布。

在紧缩场工程设计中，可以通过对馈源方向图的设计，使反射面口径场呈一定锥削分布，但很难实现理想的连续锥削。为此，一般将反射面边缘设计成如图8所示的锯齿形状，使口径场呈现等效的连续锥削。锯齿设计难以达到理想连续锥削设计效果，但要优于均匀分布的圆口径和方口径。在紧缩场工程中，针对具体要求，可以对边齿参数进一步改进设计，如调整边齿个数、齿间距离等，以期获得更好的结果。

（a）直角直边齿

（b）直角曲边齿

图7 反射面边缘形状

实际上，反射面边缘类型有刀形边缘、锯齿边缘、卷绕边缘三种，如图8所示，它们对静区产生的影响也不一样。

图8 边缘绕射示意图

图8（a）是刀形边缘示意，这种边缘产生的绕射在垂直于边缘的平面上最强，将对静区性能造成严重影响。这种边缘出现在早期的紧缩场准直器上，现在个别大口径时域紧缩场系统的准直器上仍然可以看见。

图8（b）是锯齿形边缘示意，由于锯齿的倾斜，绕射线被斜边引导偏离静区，所以锯齿边缘可以改善静区平面波质量。这种边缘设计的研究比较深入，也是当前最常用的紧缩场边缘。

图8（c）是卷绕边缘示意，卷绕设计延伸了反射面，边缘终止前经历一段渐进变化区，使得绕射射线指向静区以外的其他方向。卷绕边缘设计被用于高频段的准直器上，虽然它从原理上讲具有很大的优势，但其设计复杂，制作工艺更是困难，因而没有被用于大型、宽带的紧缩场中。

2.1.3 反射面紧缩场静区的干扰源及分析方法

在紧缩场电气测试调整中，需要解决的一个关键问题是有效地排除或控制干扰源对静区场的扰动。静区干扰波泛指除反射面反射主波以外所有通过其它路径到达静区的电磁波。如图9所示，静区内的干扰场主要来自于以下几个方面：

（1）馈源—》静区观察点；

（2）馈源—》反射面边缘（缝隙）—》静区观察点；

（3）馈源—》暗室四壁和地面测试支架等—》静区观察点；

（4）馈源—》障碍物—》反射面—》静区观察点；

（5）系统其它多次反射和耦合—》静区观察点。

图9 静区干扰源示意图

紧缩场静区场不是准直器的口径场，更不是准直器天线的远场，因此既不能采用简单的口径场计算方法，也不能采用远场近似。在低频区域，尚可采用矩量法、有限元法、时域有限差分法等数值计算方法较为精确地分析静区性能，但此时紧缩场的建设必要性不大，因为在“紧缩”的空间内很难得到可用的静区，而这时又可以使用常规远场测量实现。

在高频区域使用严格的解析方法或者数值计算方法来求解馈源和庞大的、带有复杂边缘结构的准直器曲面所共同确定的边值问题至少在现阶段计算机技术条件下看来是不现实的，因此必须对物理模型作出合理的假设和简化。这些假设和简化主要有两种：

第一，物理光学近似，即在馈源的场结构已知，且反射面对馈源特性没有影响的前提下，静区场近似为馈源在反射面上的感应电流所产生的场，这种近似对应了物理光学法。物理光学法是一种直接积分的方法，它在准直器曲率半径较大、馈源对准直器边缘照射幅度较小的时候具有较高的精度，缺陷是由于准直器尺寸很大、静区三维取样点多，对应积分的计算需要很长时间。

第二，几何绕射理论，即假定馈源的场结构己知，考虑反射面边缘绕射场来取代边缘截断必须满足的电流连续性条件，则静区场等于几何光学场与边缘绕射场的叠加。几何绕射理论的计算速度快，主要缺陷是射线寻迹困难，这是由于准直器边缘通常都经过复杂的处理造成的。多次绕射的射线寻迹则更加困难，当然，由于边缘的一次绕射对静区的影响是主要的，所以在采用几何绕射理论分析时还常常作出忽略多次绕射的近似。

为了更准确的评估反射面紧缩场的静区性能，通常需要考虑馈源辐射幅度、相位的不均匀性的影响。可以利用一些低频电磁场分析方法，例如矩量法、有限元法、时域有限差分法等，求出馈源上的电流分布，得到馈源辐射的幅度、相位数据，然后运用物理光学或几何绕射理论，得出静区场的频域和时域特性。

2.2 介质透镜紧缩场

反射面紧缩场研究的不断深入使得该项技术迅速成熟并得以实用，但在微波频率高端的特殊应用中，要使反射面精度满足起伏小于0.01波长的一般要求，就要付出很高的代价，此时介质透镜紧缩场和全息紧缩场就成为经济实用的选择，透镜紧缩场、全息紧缩场的待测对象和馈源分别处于准直器的两侧，因此可以方便地在准直器周围放置吸波材料，削弱绕射对静区性能的影响。图10给出了介质透镜紧缩场的示意图。

图10 介质透镜紧缩场示意图

2.3 全息紧缩场

近十年来，全息紧缩场技术由赫尔辛基理工大学发展起来并得以应用。当频率高于200GHz时，全息紧缩场成为很好的选择，但它的结构特点决定了其极化单一和频带较窄的固有缺陷，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来满足不同极化和不同频带的紧缩场测量需求，这也使得全息紧缩场的建立相对反射面和透镜紧缩场要方便，在毫米波导引头、卫星通信与遥感等领域有很高的应用价值。图11给出了全息紧缩场的示意图。

图11 基于微波全息技术的紧缩场测量系统

根据已知入射光和需要的出射光，借助计算机辅助计算，设计制作全息光栅，从而达到获得所需出射光（电磁场）的目的。全息光栅结构分为二元相位和二元幅度光栅结构，相位和幅度传输系数分别为两组离散的值。比如二元幅度全息光栅，对辐照在它上面的光要么完全透射（传输系数为1），要么完全阻挡（传输系数为0）。

出射场的相位由全息光栅板上的透射槽的位置和深度决定，而出射场的幅度由透射槽的宽度决定。全息衍射光栅的这种二元结构主要功能就是把各阶全息衍射的能量进行重新分配组合，设计全息衍射光栅的几何结构，获取需要的静区场。图12为全息衍射光栅的局部结构截面图。对相位全息光栅来说，介质基材上凹槽的宽度w和深度h决定出射场相位，对幅度全息结构来说，因为介质基上的金属层的厚度是固定的，所以只需要优化蚀刻槽的宽度w即可得到需要的场。

（a）截面图

（b）正视图

图12 全息衍射光栅结构图

编辑：jq