一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器及其优化方法技术

本申请公开了一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器及其优化方法。所述准直器是一个平面波综合阵列天线，基于阵列近场合成技术并采用粒子群优化算法对平面波综合阵列天线中各天线单元的馈电幅度和相位进行控制来产生测试所需的准平面波、在暗室内实现一个静区。平面波综合阵列天线采用旋转对称结构，具有寄生单元和解耦结构；平面波综合阵列天线包括天线阵面；天线阵面包括多个天线单元。所述阵列近场合成技术是指使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，并且使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图进行阵列近场合成。本申请的收敛效率高，优化效果好，设计精度高，在较大的频带内实现理想静区。

【技术实现步骤摘要】
一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器及其优化方法
本申请涉及一种天线紧缩场（compactrange）测试系统中的准直器装置，特别是涉及一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器装置。
技术介绍
4G（第四代移动通信）或更早的移动通信技术中，基站天线无需进行通道一致性校准测试，基站天线的射频特性是采用线缆连接的方法进行测试。5G（第五代移动通信）的基站天线引入了MassiveMIMO（MassiveMultipleInputMultipleOutput，大规模多输入多输出）技术。这种基站天线采用有源相控阵天线体制，AAU（ActiveAntennaUnit，有源天线模块）与阵面集成一体化，通过波束赋形实现信号覆盖，天线单元数为64、128、256或更多，需要进行通道一致性校准和OTA（OverTheAir，空口）测试。因此，需要建设5G基站天线的测试系统来满足5G基站天线的测试需求，既能满足5G通信系统测试精度的要求，还要具有高效快速的特点。5G基站天线的天线阵列规模比较大，目前对其进行空口测试有近场、远场、紧缩场三种方式。近场测试系统无法实现全部有源射频参数的测试。远场测试系统虽然可以实现全部有源射频参数的测试，但是所需空间比较大，建设成本高。以3.5GHz、长800mm×宽700mm口径的基站天线为例，远场测试距离需要达到18m，暗室（anechoicchamber）尺寸约为长28m×宽14m×高14m以上。反射面紧缩场测试系统可以实现全部有源射频参数的测试，所需空间有所减小，仍以上述基站天线为例，暗室尺寸约为长8m×宽5m×高5m；但是反射面的加工和维护成本较高，暗室尺寸仍然较大，不适合产线调试测试。目前，国内外提出了类似的平面波生成器准直器概念，采用阵列天线作为紧缩场准直器，可以有效减小暗室尺寸，降低成本。西安电子科技大学的冯学勇等人提出了使用遗传算法优化设计的工作于S波段的平面波生成器；意大利OvidioMarioBucci等人提出了利用基于遗传算法的全局搜索算法设计平面波生成器的方法。该方法的优点是，通过设立目标函数，利用纯数学方法解出“最优解”，在一定程度上缩短了仿真计算时间；其缺点是设计结果对算法依赖性高，且缺乏一定的物理规律，会导致个别设计结果的物理可实现性较差。北京航空航天大学苗俊刚等人提出了依据惠更斯原理，采用口面场卷积积分方法进行二维阵列天线平面波生成器的优化设计。虽然计算时间较短，但是其缺点是在阵列综合过程中无法充分考虑阵元间的耦合效应，计算收敛性差。德国罗德施瓦茨公司在国内申请的专利CN107918068A中公开了一种用于在一定距离中产生和/或接收平面波的天线阵列，但并未对其优化方法进行具体阐述。
技术实现思路
本申请所要解决的技术问题是提供一种基于平面波综合（planewavesynthesis）技术的新型紧缩场准直器装置及其优化方法，收敛效率高，优化结果好，维护成本低，适用于天线的空口测试，例如可应用于5G基站天线测试与调试。为解决上述技术问题，本申请提出了一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器。所述准直器是一个平面波综合阵列天线，基于阵列近场合成技术并采用粒子群优化（PSO，ParticleSwarmOptimization）算法对平面波综合阵列天线中各天线单元的布局、馈电幅度和相位进行控制来产生测试所需的准平面波、在暗室内实现一个静区。所述平面波综合阵列天线采用旋转对称结构，具有寄生单元和解耦结构；所述平面波综合阵列天线包括天线阵面；所述天线阵面包括多个天线单元也称阵元；天线单元采用电磁偶极子或折叠偶极子天线。所述阵列近场合成技术是指使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，并且使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图进行阵列近场合成。所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。本申请使用阵中单元的近场方向图进行平面波综合，与使用远场方向图进行综合进行对比，具有更高的优化效率和精度。本申请在进行阵列近场合成时，使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图，具有更高的优化精度。本申请采用的粒子群优化算法不受函数约束条件的限制，如连续性、可导性等。粒子群优化算法隐含并行搜索特性，从而减小了陷入局部极小的可能性。并且由于这种并行性，易在并行计算机上实现，以提高算法性能和效率。粒子群优化算法有记忆功能，好的解的知识所有粒子都保存，原理更简单、参数更少、实现更容易，更快速度收敛于最优解。电磁偶极子或折叠偶极子天线具有结构简单、成本低、方向图对称性高、频带宽、交叉极化低等优点；电磁偶极子还具有天线前后比高的优点。进一步地，所述天线单元或者采用全金属结构，或者采用基板和印刷电路板（PCB，PrintedCircuitBoard）实现。这里给出了天线单元可供选择的两种实现形式。进一步地，所述寄生单元设置在天线阵面外围；所述寄生单元无需激励，补偿阵中耦合响应，进而补偿阵中单元方向图的畸变，降低平面波综合的难度，并提高准确性。天线单元安装到阵列中后，由于在阵中所处的位置不同，受阵中其它单元的耦合影响也不同，例如，处于阵列中心的单元与处于阵列边缘的单元，受到阵中耦合影响不同，方向图的畸变差异较大，会提高平面波综合的难度和降低收敛速度。寄生单元就是在阵列中设计安装一些不激励的天线单元，改变阵中单元之间的耦合响应关系，本申请在阵列的外围增加寄生单元，对阵列边缘的单元在阵中受到的耦合影响进行补偿。进一步地，所述解耦结构设置在天线单元和寄生单元的天线罩上，或者设置在天线单元之间、寄生单元之间、天线单元与寄生单元之间，用来降低天线单元之间的耦合、提高阵中单元近场方向图的一致性、减少紧缩场测试时准直器与架设在静区的待测天线之间的多次反射干扰，提高测试结果精度，进而增强阵列近场合成的效率和精度。天线单元安装到阵列中后，由于天线单元之间间距较小，会产生天线单元间耦合效应,进而产生方向图的畸变。解耦结构就是在阵列中加载电路网络或者安装板结构，可以集成在天线单元和寄生单元的天线罩上，也可安装配置在阵列天线的单元之间，改变阵中单元之间的电磁场分布，从而降低阵中单元间的耦合效应，提高阵中单元方向图的一致性。此外，解耦结构可以减少紧缩场测试时准直器与架设在静区的待测天线之间的多次反射干扰，提高测试结果精度。进一步地，静区为一个球体、圆柱体或多棱柱等具有一定对称性的区域；天线阵面的布局是一个大于或等于静区横截面的圆形或正多边形的阵列布局。所述正多边形例如为正四边形、正八边形等。这是天线阵面的几种优选形状的示例。不同静区形状在实现方法上有较大区别，是不同的技术，特别是在实现特殊形状甚至是不规则形状静区时，采用粒子群优化算法的阵列近场合成技术具有更高的自由度和收敛特性。进一步地，为了降低成本并保持较好的静区特性，将相邻的一组阵元由一个衰减器和移相器控制，组内阵元可为等幅同相激励或是具有固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述准直器是一个平面波综合阵列天线，基于阵列近场合成技术并采用粒子群优化算法对平面波综合阵列天线中各天线单元的布局、馈电幅度和相位进行控制来产生测试所需的准平面波、在暗室内实现一个静区；/n所述平面波综合阵列天线采用旋转对称结构，具有寄生单元和解耦结构；所述平面波综合阵列天线包括天线阵面；所述天线阵面包括多个天线单元也称阵元；天线单元采用电磁偶极子或折叠偶极子天线；/n所述阵列近场合成技术是指使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，并且使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图进行阵列近场合成；/n所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述准直器是一个平面波综合阵列天线，基于阵列近场合成技术并采用粒子群优化算法对平面波综合阵列天线中各天线单元的布局、馈电幅度和相位进行控制来产生测试所需的准平面波、在暗室内实现一个静区；
所述平面波综合阵列天线采用旋转对称结构，具有寄生单元和解耦结构；所述平面波综合阵列天线包括天线阵面；所述天线阵面包括多个天线单元也称阵元；天线单元采用电磁偶极子或折叠偶极子天线；
所述阵列近场合成技术是指使用所述平面波综合阵列天线中各天线单元的近场方向图进行平面波综合，并且使用考虑阵元间耦合效应的阵中近场方向图进行阵列近场合成；
所述粒子群优化算法是以各天线单元的实际阵中近场方向图作为优化计算的数据基础，以减小静区内间隔半个波长的所有采样点的幅度相位的变化量为优化目标，以阵元激励的幅值相位为优化变量，以静区的幅度波纹和相位波纹作为适应度函数的组成部分。


2.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述天线单元或者采用全金属结构，或者采用基板和印刷电路板实现。


3.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述寄生单元设置在天线阵面外围；所述寄生单元无需激励，补偿阵中耦合响应，进而补偿阵中单元方向图的畸变。


4.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述解耦结构设置在天线单元和寄生单元的天线罩上，或者设置在天线单元之间、寄生单元之间、天线单元与寄生单元之间，用来降低天线单元之间的耦合、提高阵中单元近场方向图的一致性、减少准直器与架设在静区的待测天线之间的多次反射干扰。


5.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，静区为一个球体、或圆柱体、或多棱柱区域；天线阵面的布局是一个大于或等于静区横截面的圆形或者正多边形的阵列布局。


6.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，相邻的一组阵元由一个衰减器和移相器控制，组内阵元为等幅同相激励或是具有固定幅相分配比激励。


7.根据权利要求1所述的基于平面波综合技术的紧缩场准直器，其特征是，所述平面波综合阵列天线还包括馈电网络；所述馈电网络包括两部分；第一部分是在天线单元的...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛小莲，张淼，周建华，段保权，
申请(专利权)人：上海莱天通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31