華為 業界首個多探頭球面近場SG178測試系統

1、天線及近場測量場地的發展

1.1 天線發展史

自1864年麥克斯韋預言電磁波的存在性后，1886年，赫茲采用終端加載偶極子作為發射天線，半波諧振環作為接收天線，在實驗中發現了電磁波。赫茲所用的偶極子天線和環天線成為人類歷史上第一副實驗室天線。1905年，馬可尼在英格蘭波爾多架設大型方錐天線，發射波長為1000m的信號，實現了遠洋通信。從此揭開了天線發展的序幕。

接下來近一個世紀，天線技術在線天線、面天線、陣列天線三個方面均獲得快速發展：

第一階段：為線天線發展階段，主要代表為偶極子天線、環天線和八木天線；第二階段：為面天線發展階段，主要代表為反射面天線、透鏡天線；第三階段：為陣列天線發展階段，主要代表為相控陣天線、合成孔徑天線；

天線技術在民用通信、衛星通信、雷達、測控遙感、計量校準等領域發揮了重大作用，這些領域的新應用有效促進了天線技術的發展。同時，天線技術的發展給天線的高精度和高效率測量帶來很大挑戰。

1.2 近場測量場地的發展

天線場區可分為感應場區、輻射近場區和輻射遠場區。天線測量場地可分為遠場、近場、緊縮場這三大類，具體細分如圖1所示。

圖 1 天線測量場地分類

天線測量領域最早出現的測量場地是室外遠場，室外遠場無屏蔽，容易受到外界電磁信號的干擾，且自身發射信號的反射和散射也會對測試結果造成干擾，測量精度相對較低。20世紀50年代初，微波暗室技術出現，早期的暗室無屏蔽殼體，暗室反射性能不高，目前暗室屏蔽效能和靜區反射性能都能達到較高水準。隨著微波暗室技術的發展，天線測量從室外轉移到室內進行，解決了室外遠場背景電平高、保密性差、不支持全天候測試等問題。

由于天線技術的發展，尤其是深空探測技術飛速發展，大型反射面天線及大口徑陣列天線得到廣泛應用，室內遠場難以滿足大口徑天線測試所需的遠場距離，人們期望通過在有限距離空間內獲取天線的遠場方向圖，由此促進了緊縮場和近場測量技術的產生和發展。

緊縮場通過反射面、透鏡或者全息技術將球面波轉換為平面波，可以在有限距離上，獲取天線遠場方向圖，從而在一定程度上解決遠場距離不足帶來的瓶頸。根據應用技術的不同，緊縮場可分為反射面型、透鏡型、全息型。反射面型緊縮場應用最廣泛。

相對于室內遠場和緊縮場，近場在三維方向圖測試、測試效率、口徑場幅相探測方面具有一定優勢，近場測量技術因此獲得快速發展。近場測量技術發展經過了四個階段：第一個階段為無探頭修正探索階段（1950~1961年），第二階段為探頭修正理論研究階段（1961~1975年），第三階段為實驗驗證探頭修正理論階段（1965~1975年），第四階段為應用推廣階段（1975~至今）。根據采樣面的不同，近場測量場地可分為平面近場、柱面近場、球面近場三種類型；根據采用探頭數量的不同，近場可分為單探頭近場和多探頭近場兩種類型。

2、近場測量場地在移動通信天線測量領域的應用

2.1 移動通信天線發展趨勢對測量場地的要求

移動通信天線應用頻段當前主要集中在6GHz以下。移動通信天線未來正朝著多頻化、多波束、有源集成化、智能化方向發展。移動通信天線技術的發展對測量場地的測試功能及高精度、高效率測量帶來了新的挑戰，如表1所示。由于近場測量場地在測試功能、測試精度及測試效率上能滿足移動通信天線測試要求，因此在移動通信天線測量領域得到廣泛應用。

表 1 移動通信天線發展趨勢及其對測量場地要求

2.2 近場測量場地測試功能

近場測量場地的主要測試功能：

天線方向性系數、損耗、效率測量（近場通過三維遠場測試數據積分計算得到天線方向性系數，進而可以得到天線效率及損耗信息）

天線增益測量

天線遠場幅度方向圖測量

天線遠場相位方向圖測量

TDD智能天線業務波束、單元波束和廣播波束方向圖測試

多波束天線方向圖測試

天線相位中心測試

口徑場成像及診斷（通過近場幅相信息作陣列的口徑場成像及陣元失效診斷）

三維方向圖測量

2.3 近場測量場地測試精度及測試效率

近場測量技術通過測量天線的幅度和相位，再經過嚴格的近遠場變換，得到天線的遠場方向圖。經過半個多世紀的發展，近場測量理論已非常成熟。國際國內眾多學者對近場作過大量的誤差理論分析及實驗驗證。

1988年，美國NIST(National Institute of Standards and Technology)的ALLEN C. NEWELL在IEEE Tansactions on Antenna and Propagation上提出了平面近場的18項誤差理論，通過數學計算、仿真分析、實際測量等手段評估平面近場的18項測量誤差。

隨后，ALLEN C. NEWELL、Patrick Pelland和Greg Hindman等人進一步給出柱面及球面近場的誤差理論。

EurAPP工作組和ACE(Antenna Centre of Excellence)對DTU-ESA(Technical University of Denmark-European Space Agency)、UPM(Technical University of Madrid)、SAAB(Saab Ericsson Space)、FT(France Telecom)等世界范圍內得到廣泛認可的近場、緊縮場及遠場測量系統做了大量的精度對比驗證測試，測試結果表明：近場、緊縮場及遠場均可達到較高的測試精度。

移動通信領域，近場測量場地普通采用多探頭，通過電子掃描方式取代單探頭旋轉方式，天線只需在一個安裝姿態下測試，測試效率較高，尤其適合需要準確找到波束指向的多波束、智能天線等。

2.4 近場測量場地與室內遠場、緊縮場對比

近場測量場地與室內遠場及緊縮場的對比如表2所示。

表 2 近場測量場地與室內遠場及緊縮場對比

3、近場測量場地的檢測方法

近場測量場地檢測包含暗室性能檢測及探頭性能檢測兩個方面。

3.1 近場測量場地暗室性能檢測方法

近場測量場地屏蔽性能檢測：屏蔽性能檢測參考《GB-T 12190-2006 電磁屏蔽室屏蔽效能的測量》。

近場測量場地靜區反射性能檢測：靜區反射性能檢測采用自由空間駐波比法或方向圖比較法。

3.2 近場測量場地探頭性能檢測方法

近場探頭性能檢測示意圖如圖2所示，標準喇叭固定在二維轉臺上，轉臺俯仰旋轉使喇叭能對準各個探頭，方位旋轉使喇叭能做圍繞探頭作360°旋轉。轉臺工裝需特殊設計，使得喇叭固定在轉臺上時，喇叭口徑面中心到達各個探頭的距離相等。

圖 2 近場探頭性能檢測示意圖

近場要求每個探頭對相同輸入的響應一致，探頭性能主要包含：探頭幅度性能、相位性能及交叉極化性能三個方面。測試過程中，需保證測試環境相同，即：

1）喇叭口徑面中心到達各個探頭的路徑距離相同；2）需采用激光精確對準，使得圓環中心、喇叭口徑面中心及探頭中心三點在一條直線上；3）測試過程中，保證對于同一個頻點，信號源輸出信號幅度一致；

測試時，喇叭相對探頭作360°方位旋轉，測量探頭相對喇叭在不同極化位置時的探頭接收到的幅度及相位數據，探頭接收幅度數據曲線如圖3所示。

圖 3 近場探頭幅度測量曲線示例

探頭幅度和相位數據可以同時測量得到，對每個探頭的幅度及相位數據處理，可以得到所有探頭的幅度及相位一致性及交叉極化性能。

4、總結

隨著天線應用領域及相應規格特性的不斷發展，天線測量技術也面臨精度、效率、測試功能滿足度等方面挑戰，近場測量技術在上述背景推動下，經過幾十年的發展，已成為了一種成熟的主流測試技術，在移動通信領域得到了廣泛的應用。