多探頭球面近場天線測試效率提升方法*

陳雷，丁明玲，魯帆**，姜華，樊勇

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.北京市電磁兼容與天線測試工程技術研究中心，北京 100094；3.中國電信股份有限公司廣東研究院評測中心，廣東 廣州 510630）

0 引言

移動通信技術的蓬勃發展推動了天線測量技術的進步，球面近場測量技術作為近場測量的主要手段之一，由Hansen等人于1988年對相關理論做了較為詳盡的總結[1-2]。球面近場測量的近場采樣面是一個球面，在完成近場數據采集后，利用嚴密的近場到遠場變換算法，可推導出準確遠場。由于球面近場的數據采樣在4π空間，因此其近場數據相對其他近場測量更完整，并能夠得到待測天線三維空間的方向圖信息[3]。最早發展起來的是單探頭球面近場測量技術，應用單探頭球面近場測量時，由于空間每一個點的采集都要控制機械轉臺轉動，測量效率相對較低。

解決球面近場測試效率低的一個思路是減少近場采樣數，同時保證有足夠的近場信息能夠變換出遠場。一種實現方法是對縮減后的近場采樣數據進行不同方式的插值處理[4-6]，再做近遠場變換，在滿足一定采樣條件的前提下，利用該方法能縮短測量時間并較準確計算出遠場。基于大部分天線的輻射遠場主要由少數的球面波模式系數確定這一特點，有人嘗試將壓縮感知運用到球面波展開系數的求解過程中[7-11]，該方法同樣通過減少采樣點并利用數學方法算出有用的球面波系數，而如何能更好地應用壓縮感知，還需要進一步研究。針對由于待測天線偏離測試中心而必須大量增加近場采樣點的問題，有人提出了對球面近場到遠場變換算法進行改進[12-13]，同樣實現了減少采樣點并提升了測試效率。

為解決單探頭球面近場測量效率低的問題，法國MVG公司于1999年提出了多探頭球面近場測量系統[14]。該系統的工作原理仍基于基本的球面近場測量理論，但創新了實現方式，采用探頭散射調制技術和陣列開關控制[15]，在掃描面的一個維度上用多探頭電掃描采樣代替了轉臺轉動采樣，實現了測量效率的大幅度提升。電掃描多探頭球面近場測量系統由于可測量三維空間方向圖且測試效率高，一經投入使用便得到了國內外很多基站天線生產商的青睞，并逐漸推廣至國防、軍工等領域[16]，此時國內也開始了對球面近場測試的研究[17]。

多探頭測試系統一般采用等角度采樣，俯仰方向通過等角度分布的多個探頭電掃描實現，方位方向通過機械轉臺等角度旋轉實現。采用等角度采樣的一個重要原因是在近遠場變換時可使用快速傅里葉變換（FFT）來提升計算效率。本文主要討論通過設置更優的近場采樣間隔以及利用電子開關技術提升近場采樣效率，進而提升多探頭球面近場天線方向圖測試效率。

1 近場采樣方案分析與驗證

1.1 近遠場變換算法驗證

為從理論上驗證不同采樣方案的應用效果，需要用到球面近遠場變換技術。本文采用球模式展開法實現不考慮探頭影響時的近遠場變換[18-20]。在已知包圍待測天線的封閉球面切向電場時，利用該方法可準確計算出待測天線輻射遠場方向圖。

E利用球面波展開，遠場的電場分量可以表達為：

其中，Lmn和mnL′ 可用連帶勒讓德函數表示。amn和bmn是權系數，可分別表示為：

其中，fn(kr)和gn(kr)可用第二類球漢克爾函數表示。權系數中的積分項Vθ(θ,φ)和Vφ(θ,φ)可通過離散傅里葉變換計算，并可應用FFT快速算法。

利用HFSS軟件設計一個工作在2 GHz的角錐喇叭天線，計算出E面和H面的近場和遠場方向圖。近場數據在θ（俯仰）和φ（方位）方向都是1°采樣間隔，采樣半徑是1.2 m（8倍波長），利用近遠場變換算法，可直接將近場數據變換到遠場。所設計天線尺寸及仿真和變換遠場的對比結果如圖1所示。

從圖1（b）和（c）看出，喇叭天線E面和H面的變換遠場與仿真遠場方向圖吻合良好，表明所采用的變換算法是正確的。

圖1 角錐喇叭天線及仿真和變換遠場在E面和H面對比

1.2 近場采樣方案分析

多探頭電掃描球面近場測試系統一般采用θ掃描方案，即θ方向掃描、φ方向步進，且θ方向采用多探頭電掃描，φ方向利用轉臺步進采樣。由于電掃描速度比步進速度快得多，因此轉臺步進是制約整個系統掃描速度提升的一個重要因素。

傳統多探頭球面近場測試系統的θ和φ方向的采樣間隔一般是相同的，并采用θ掃描φ步進方案。根據文獻[2]，公式(1)和(2)中的球面波函數序列數N=kr+n（r為包圍待測天線的最小球半徑），為保證實際的測試精度要求，n一般取10。球面近遠場變換如果使用FFT算法，則φ方向采樣數Jφ應該滿足Jφ≥2N+1，θ方向采最少采樣數Jθ應該滿足Jθ≥N+1。針對圖1中的待測天線（r=3λ），N≈29，則φ方向采樣數Jφ應該不小于59。

假設θ方向的采樣間隔是固定的2.5°（對應Jθ為72），而φ方向的采樣間隔被分別設置為2.5°、6°和7.5°（對應的Jφ分別為144、60和48）。應用相同的球面近遠場變換算法，得到喇叭天線不同采樣方式下E面和H面的變換遠場及仿真遠場對比結果[21]如圖2所示：

圖2 φ方向取不同采樣間隔時變換和仿真遠場方向圖在E面和H面的對比

從圖2可看出，當φ采樣間隔分別為2.5°和6°時，E面和H面的變換遠場與仿真遠場方向圖吻合良好，而當φ的采樣間隔為7.5°時，H面的方向圖出現了一些偏差。因此，在滿足最少采樣點要求時，適當增加φ方向采樣間隔并沒有對測試精度產生大的影響，φ采樣間隔取6°相對2.5°可減少約一半的采樣點數，因此可以提升天線方向圖測試效率。由于多探頭球面近場探頭在θ方向按等角度分布，掃描點數不可隨意更改，而φ方向采樣利用轉臺步進，步進間隔可根據需要設置。因此，一種更高效的采樣方案是在滿足采樣點要求的前提下，控制轉臺增加φ方向采樣間隔。

為進一步驗證不同采樣間隔是否會對天線方向圖測試精度產生影響，利用球面近場測試系統，通過實際測試，對比不同采樣方案得到的方向圖。選取一款8端口板狀移動通信基站天線，架設在測試場中心位置，待測天線最小球半徑約0.69 m，可計算出N≈39。保持θ方向2.5°采樣間隔，φ方向采樣間隔分別取2.5°（Jφ=144）和4.6°（Jφ≈39），完成1個通道6個頻點的測試，總測試時間分別是7分53秒和5分44秒，方向圖測試結果對比如表1所示。

從表1可看出，雖然φ方向的采樣間隔不同，但測得的方向圖指標吻合良好，尤其交叉極化、前后比等低電平指標也吻合較好，這說明在滿足最少采樣點條件下，適當增加φ方向采樣間隔可以保證測試精度，而φ方向采用4.6°采樣間隔所需測試時間明顯短于采用2.5°采樣間隔。φ方向4.6°采樣間隔滿足采樣要求，如果繼續增加采樣間隔，方向圖測量誤差也將會隨之逐漸增大，這是因為在進行球模式系數求解時，需要有足夠的采樣點才能保證計算準確。

表1 板狀移動通信基站天線利用不同采樣方案測試得到的方向圖指標

這種測試效率提升方法可適用球面近場各種類型天線測試。針對電小尺寸天線，當θ方向的探頭分布間隔小于待測天線在該方向的最大采樣間隔時，可適當增加φ采樣間隔提升測試效率，而針對電大尺寸天線，θ和φ方向都應滿足采樣間隔的最低要求。另外，如果φ采樣間增加，總采樣點數會相應減少，則在近遠場變換時也能縮短計算時間。

2 多通道測試采樣分析

目前的球面近場測試系統多通道測試大多采用機械開關，機械開關切換速度慢（毫秒級）且使用壽命有限（約100萬次），測試多端口天線時只能逐個端口外循環方式測試，即利用探頭電掃描和轉臺步進完成一個端口的近場采樣后再對下一個端口做采樣。使用電子開關測試多端口天線時，由于開關切換速度快（微妙級）且理論上可無限次使用，因此可實現多個端口同時采樣的內循環方式測試，即轉臺在φ方向每步進一次，系統通過電切換方式完成多個端口近場數據采樣，轉臺完成最后一次步進時，待測天線多個端口所有近場數據也采集完。

采用探頭半環分布的球面近場測試8端口移動通信基站天線時，轉臺需要旋轉360°。假設φ方向采樣間隔為2.5°，如果使用機械開關和外循環采樣方式，則轉臺需步進1 152次，開關切換8次；如果使用電子開關和內循環采樣方式，則轉臺需步進144次，開關切換1 152次。由于電子開關切換時間很短，切換次數多并不會顯著增加測量時間，而轉臺步進慢，步進次數多則會顯著增加測量時間，因此使用機械開關時轉臺運轉占用的時間遠多于使用電子開關。

為比較按照不同采樣方案測試多端口天線時的測試效率，選取了一款典型的8端口移動通信基站天線，在多頻多探頭球面近場測試系統進行測試，測試狀態如圖3所示。分別采用機械開關加外循環采樣方式和電子開關加內循環采樣方式進行測試，記錄實際測試時間。當θ采樣間隔為固定的2.5°、φ采樣間隔分別選擇2.5°和4.6°時，使用機械開關和電子開關測試同一副8端口天線的總時間對比如表2所示。

圖3 使用多通道電子開關（SP16T）測試8端口基站天線

表2 使用機械開關和電子開關測試8端口基站天線的時間對比

從表2可看出，使用電子開關測試多端口天線可顯著提升系統測試效率。電子開關加內循環的采樣方式只是改變了待測天線各端口采樣順序，并不會對系統測試精度產生影響。這種采樣方式適用于多端口天線測試場景（如多端口基站天線測試），同時也適用于考察多副天線間相互影響時的測試場景，多端口天線或多副天線測試時，不同端口可設置不同的測試頻點，在進行采樣間隔計算時，需要滿足最高頻點的測試要求。

電子開關相對機械開關的插損大且通道間一致性較差，因此在使用電子切換開關時需要特別注意各通道的一致性校準，可利用矢量網絡分析儀對開關各個通道（連同測試電纜）的幅相進行單獨校準，并在進行多通道測試前需將校準結果輸入測試系統。

3 結束語

本文提出了針對多探頭球面近場測試系統的測試效率提升方法。在滿足采樣規則的前提下，θ和φ方向采樣間隔可以不相同，并理論上驗證了利用轉臺控制φ方向按最大采樣間隔采樣，能夠提升多探頭球面近場測試效率。在測試多端口天線時，采用電子切換開關加內循環的采樣方式可以進一步大幅度提升多端口天線方向圖測試效率。后續，將在此基礎上繼續研究通過改變球面近場采樣方案和近遠場變換算法來提升測試效率的方法。