[發明專利]一種基于陣列天線的準平面波生成器及生成方法

有效

• 申請號: 201810094455.2
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108631046B
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發明（設計）人: 苗俊剛;孫雪蕾;張雨生;喬兆龍;胡岸勇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q1/48;H01Q21/06;G01R29/10
• 代理公司: 11251 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 安麗

本發明涉及一種基于陣列天線的準平面波生成器及生成方法，包括一個長度和寬度的電尺寸超過10個最低工作頻率波長的二維陣列天線口面，陣列天線單元和陣列天線饋電網絡；該準平面波生成器利用惠更斯原理，通過對陣列天線單元位置、激勵的幅度和相位控制，在距離二維陣列天線口面1.5倍口徑尺寸附近區域形成高質量的準平面波靜區。本發明應用范圍廣泛，可以用于電大尺寸天線的方向圖測量、擁有電大尺寸天線的系統射頻指標測量，尤其適用于5G移動通信的基站天線測量和毫米波波段終端天線和系統的測量。

技術領域

本發明涉及電磁場與微波技術領域、陣列天線技術領域、天線及系統測量技術領域，尤其涉及5G移動通信基站天線測量與毫米波波段終端天線和系統的測量領域，具體內容為一種基于陣列天線的準平面波生成器及生成方法。

背景技術

目前，對于5G移動通信技術的研究和相關樣機的生產已經在全球范圍內掀起一場移動通信產業革新的浪潮。大規模有源天線陣列技術作為5G移動通信技術的關鍵技術之一，受到了業界的廣泛關注。5G Massive MIMO天線OTA測量方法是目前通信天線領域中的一個研究熱點，已有多家設備生產廠商及儀表廠商提出了各自有針對性的測試方法。目前，業界對于5G Massive MIMO天線將更多需要依賴OTA測量基本達成共識。

5G毫米波通信中將引入近場問題，隨著毫米波基站電尺寸的增大，滿足遠場條件的距離也將增加，構建滿足遠場條件的暗室將耗費巨資，不適用于大規模基站的研制和生產調試。緊縮場這一軍事領域中廣泛應用的技術將可能進入民用通信領域。在緊縮場研究中的近場理論也有望在毫米波通信中得到廣泛應用。

天線近場問題一直是天線理論中的一個重要問題。在毫米波波段，移動通信也將不可避免的面臨天線或射頻系統測量距離近不滿足遠場條件的問題。由于在近距離實現平面波的問題本身是一個天線近場問題，其研究如何在近場條件下形成幅度近似相同、相位近似相等的準平面波，類似近場波束聚焦問題，但是需要考慮到靜區在軸向分布的長度。因此，研究如何在近距離實現準平面波條件對于5G移動通信天線及射頻指標測量是具有實際意義的。

目前，國內外已有幾所高校和單位提出了相似的平面波生成器的概念，但其多采用超材料方法實現。例如由深圳光啟高等理工研究院劉若鵬等人提出的緊縮場天線測量系統，其內部采用了多片超材料層疊結構形成平面波生成單元，其中每一片超材料包括基材以及設置在基材上的多個人造微孔結構。當饋源產生電磁波穿過超材料層疊結構時，會轉換為平面電磁波。這種方法的優點是避免了制造高精度緊縮場反射面的加工工藝，降低了制造成本；但其缺點為超材料結構復雜、設計難度大。此外還有利用優化算法反向設計平面波生成器的方法。例如西安電子科技大學的馮學勇等人提出的使用遺傳算法優化設計的工作于S波段的平面波生成器；意大利Ovidio Mario Bucci等人提出了利用基于遺傳算法的全局搜索算法設計平面波生成器的方法。此類方法的優點是，通過設立目標函數，利用純數學方法解出“最優解”，在一定程度上縮短了仿真計算時間；但其缺點也十分明顯，設計結果對算法依賴性高，且缺乏一定的物理規律，導致其設計結果的物理可實現性較差。

近場波束聚焦的基本原理是基于非線性相位路徑補償在陣列口徑的近場聚焦處實現同相相干疊加、進而綜合出可與遠場相比擬的波瓣圖，通過建立目標函數矩陣可以加快近場聚集的速度。傳統的緊縮場技術使用了帶鋸齒邊或卷邊的拋物面反射面實現了近場波束聚焦這一功能，然而其缺點是造價昂貴、設計復雜、對反射面表面平整度要求極高等。由于5G移動通信天線工作頻段固定，且不需要覆蓋天線非工作頻段，考慮利用緊縮場反射面近場波束聚焦的原理，設計基于陣列天線的近場準平面波生成器用于5G移動通信基站與終端的天線和射頻指標測量是具有極大市場價值的。

發明內容

本發明技術解決問題：克服了現有緊縮場造價昂貴、真實遠場對測試距離要求較高的不足，提供一種基于陣列天線的準平面波生成器及生成方法，具有生產成本和難度低，安裝簡便，頻率可調，且可覆蓋單個頻段或多個頻段的優點。