[发明专利]一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法

说明书

本发明涉及一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法，包括一个长度和宽度的电尺寸超过10个最低工作频率波长的二维阵列天线口面，阵列天线单元和阵列天线馈电网络；该准平面波生成器利用惠更斯原理，通过对阵列天线单元位置、激励的幅度和相位控制，在距离二维阵列天线口面1.5倍口径尺寸附近区域形成高质量的准平面波静区。本发明应用范围广泛，可以用于电大尺寸天线的方向图测量、拥有电大尺寸天线的系统射频指标测量，尤其适用于5G移动通信的基站天线测量和毫米波波段终端天线和系统的测量。

技术领域

本发明涉及电磁场与微波技术领域、阵列天线技术领域、天线及系统测量技术领域，尤其涉及5G移动通信基站天线测量与毫米波波段终端天线和系统的测量领域，具体内容为一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法。

背景技术

目前，对于5G移动通信技术的研究和相关样机的生产已经在全球范围内掀起一场移动通信产业革新的浪潮。大规模有源天线阵列技术作为5G移动通信技术的关键技术之一，受到了业界的广泛关注。5G Massive MIMO天线OTA测量方法是目前通信天线领域中的一个研究热点，已有多家设备生产厂商及仪表厂商提出了各自有针对性的测试方法。目前，业界对于5G Massive MIMO天线将更多需要依赖OTA测量基本达成共识。

5G毫米波通信中将引入近场问题，随着毫米波基站电尺寸的增大，满足远场条件的距离也将增加，构建满足远场条件的暗室将耗费巨资，不适用于大规模基站的研制和生产调试。紧缩场这一军事领域中广泛应用的技术将可能进入民用通信领域。在紧缩场研究中的近场理论也有望在毫米波通信中得到广泛应用。

天线近场问题一直是天线理论中的一个重要问题。在毫米波波段，移动通信也将不可避免的面临天线或射频系统测量距离近不满足远场条件的问题。由于在近距离实现平面波的问题本身是一个天线近场问题，其研究如何在近场条件下形成幅度近似相同、相位近似相等的准平面波，类似近场波束聚焦问题，但是需要考虑到静区在轴向分布的长度。因此，研究如何在近距离实现准平面波条件对于5G移动通信天线及射频指标测量是具有实际意义的。

目前，国内外已有几所高校和单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实现。例如由深圳光启高等理工研究院刘若鹏等人提出的紧缩场天线测量系统，其内部采用了多片超材料层叠结构形成平面波生成单元，其中每一片超材料包括基材以及设置在基材上的多个人造微孔结构。当馈源产生电磁波穿过超材料层叠结构时，会转换为平面电磁波。这种方法的优点是避免了制造高精度紧缩场反射面的加工工艺，降低了制造成本；但其缺点为超材料结构复杂、设计难度大。此外还有利用优化算法反向设计平面波生成器的方法。例如西安电子科技大学的冯学勇等人提出的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Ovidio Mario Bucci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。此类方法的优点是，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；但其缺点也十分明显，设计结果对算法依赖性高，且缺乏一定的物理规律，导致其设计结果的物理可实现性较差。

近场波束聚焦的基本原理是基于非线性相位路径补偿在阵列口径的近场聚焦处实现同相相干叠加、进而综合出可与远场相比拟的波瓣图，通过建立目标函数矩阵可以加快近场聚集的速度。传统的紧缩场技术使用了带锯齿边或卷边的抛物面反射面实现了近场波束聚焦这一功能，然而其缺点是造价昂贵、设计复杂、对反射面表面平整度要求极高等。由于5G移动通信天线工作频段固定，且不需要覆盖天线非工作频段，考虑利用紧缩场反射面近场波束聚焦的原理，设计基于阵列天线的近场准平面波生成器用于5G移动通信基站与终端的天线和射频指标测量是具有极大市场价值的。

发明内容

本发明技术解决问题：克服了现有紧缩场造价昂贵、真实远场对测试距离要求较高的不足，提供一种基于阵列天线的准平面波生成器及生成方法，具有生产成本和难度低，安装简便，频率可调，且可覆盖单个频段或多个频段的优点。