一种在辐射近场区重建天线阵远场方向图的近场测试方法与流程

本发明属于天线测量技术领域，涉及天线阵近场测量，特别涉及一种在辐射近场区重建天线阵远场方向图的近场测试方法。

背景技术：

在无线频谱资源日趋紧张的情况下，为了将无线移动通信的频谱效率再提升一个量级，大规模mimo(massivemimo)将是5g移动通信中的核心技术。在大规模mimo系统中，基站会配置大量的天线，天线数目通常有几百甚至几千根，是现有mimo系统天线数目的1～2个数量级以上。但是，随着天线数目的急剧增加，天线阵辐射口面的尺寸也随之增大。在天线的辐射场区内，按照离开天线距离的远近可以把辐射区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射远场区，天线的方向图与测试距离无关。远场天线测量就是选择测量这个区域的场。测试距离达到辐射远场区的条件是测试距离大于2d²/λ，其中d是天线辐射口面的最大尺寸，λ是工作频率下电磁波在自由空间中的波长。因此，随着天线数目的增加，远场测试距离呈指数上升。在大规模mimo天线阵列测试时，远场测试距离会非常远，建设远场测试暗室的花费极大。

一种有效缩减天线测试距离的方法是近场测量。在天线的辐射近场区，测量得到的天线方向图与测试距离有关，近场测量就是选择测量这个区域的场。传统的近场测量技术的核心基于近场-远场转换技术。该测量方案在离开被测天线3至10λ的距离上，用一个电特性已知的电小天线(天线的几何尺寸远小于λ)或称之为探头的探测器按照抽样定理扫描抽样一个平面或曲面上的被测近场区的电磁场的幅度和相位数据，再经过严格的数学变化(快速傅里叶变换，简写为fft)计算出天线远场区的电特性。这种基于近场-远场转换技术的近场测量技术需要用探头测出扫描面上各个点的幅度与相位，之后再经过数学变化计算出天线的远场特性。但在大规模mimo天线阵测试中，近场测试的相位校准比较困难，因此传统的基于近场-远场转换技术的近场测试方案不适合用于大规模mimo天线阵的测量。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在辐射近场区重建天线阵远场方向图的近场测试方法，通过设计大规模mimo天线阵的馈电相位分布，在辐射近场区的给定距离上，重建出远场方向图。利用本发明，可以像远场测试一样在辐射近场区直接测试得到大规模mimo天线阵的远场方向图。因此，本发明不仅可以缩短大规模mimo天线阵的测试距离，而且与传统近场测量方案相比，测试步骤也得到了简化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种在辐射近场区重建天线阵远场方向图的近场测试方法，通过对待测天线阵中各天线单元进行相位修正，在辐射近场区中给定距离下重建天线阵远场方向图，其特征在于，所述相位修正是指由天线阵远场方向图波束指向和近场测试距离r共同决定各天线单元的相位分布，其中θm和是待测天线阵在球坐标系下远场方向图的最大辐射方向。

所述相位分布的计算方法之一为：对于具有n个天线单元的待测天线阵，根据波束指向测试距离r以及待测天线阵的尺寸信息，计算出点到待测天线阵的每个天线单元的距离ri，则重建天线阵远场方向图所需的每个天线单元上的相位分布为其中i是待测天线阵中天线单元的序号，λ是工作频率下电磁波在自由空间中的波长。

所述相位分布的计算方法之二为：在处安装测试探头，并用测试探头辐射待测天线阵，将待测天线阵接收到信号的相位取共轭即得到重建所需的相位分布。

所述近场测试距离r<2d²/λ，其中d是天线辐射口面的最大尺寸。

与现有技术相比，本发明中的测试方案直接在辐射近场区中测试距离为r的位置上重建出大规模mimo天线阵的远场方向图，而不需要进行近场-远场转换。之后即可在近场测试距离r上直接测得远场方向图。因此，本发明不仅缩短了大规模mimo天线阵的测试距离，还降低了近场测量系统的复杂度。

附图说明

图1为本发明的测试方案示意图，其中包括待测天线阵1和近场测量探头2。

图2为使用本发明测量20单元一维线天线阵的示意图，其中包括(a)20单元一维线天线阵测试方案示意图，(b)在近场测试距离为r＝20λ时，本发明中各个天线单元的馈电补偿相位，和(c)20单元一维线天线阵的远场方向图、在近场测试距离为r＝20λ时直接测量得到的方向图以及在近场测试距离为r＝20λ时应用本发明得到的方向图。

图3为使用本发明测量最大波束指向为θ＝60°，方向的具有20×20单元的二维面天线阵时的方向图。其中包括远场方向图、在近场测试距离为r＝40λ时直接测量得到的方向图以及在近场测试距离为r＝40λ时应用本发明得到的方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

一种在辐射近场区重建天线阵远场方向图的近场测试技术。根据设计示意，给出了一个20单元一维线天线阵测量的具体实施例和一个指向θ＝60°，方向的具有20×20单元的二维面天线阵测量的具体实施例，下面结合附图予以说明：

参阅图2(a)，该实施例中包含一个20单元一维线天线阵，最大辐射方向在侧射方向天线单元之间的间距为λ/2，远场测试距离为200λ。图2(b)给出了本方案所需的各个天线单元上的补偿相位分布。该相位分布可以由两种方法获得。

一种方法是，对于具有20个天线单元的天线阵，根据波束指向与测试距离r(在本实施例中波束指向为测试距离r＝20λ)，以及天线阵的尺寸信息，计算出点到天线阵的每个天线单元的距离ri(i＝1,2,…,19,20)，则重建天线阵远场方向图所需的每个天线单元上的相位分布为其中λ是工作频率下，电磁波在自由空间中的波长。

另一种方法为，将测试探头2放在处，并用其辐射待测天线阵1，将天线阵接收到信号的相位取共轭即得到重建天线阵远场方向图所需的相位分布。

图2(c)给出了几种不同测量方案得到的方向图。从图中可以看出，远场方向图在最大辐射方向的方向性为13.01dbi。直接在r＝20λ的距离上测到的方向图与远场方向图的差距较大，在的方向性为7.35dbi，比远场方向图降低了5.66db。利用本方案在r＝20λ的距离上测到的方向图与远场方向图吻合良好，在的方向性为12.9dbi，仅比远场方向图降低了0.11db。

本测量方案不仅适用于最大辐射方向在侧射方向的天线阵，对最大辐射方向在非侧射方向的天线阵也同样适用。并且，该方案还可以推广到二维平面阵。

图1给出了本方案测量二维平面阵时的示意图。

图3给出了对于一个最大辐射方向在(θm＝60°，)方向的20×20单元二维平面天线阵在yoz面的方向图测试结果。该天线阵的单元间距为λ/2，远场测试距离为400λ。其中的近场直接测量方向图是在r＝40λ的距离上直接测得的方向图。本方案方向图是在r＝40λ的距离上使用本方案所提出的相位分布后测得的方向图。本方案的相位分布可以由两种方法获得。

一种方法是，对于具有20×20个天线单元的天线阵，根据最大波束指向与测试距离r(在本实施例中波束指向为θm＝60°，测试距离r＝40λ)，以及天线阵的尺寸信息，计算出点到天线阵的每个天线单元的距离ri(i＝1,2,…,399,400)，则重建天线阵远场方向图所需的每个天线单元上的相位分布为其中λ是工作频率下，电磁波在自由空间中的波长。

另一种方法为，将测试探头2放在处，并用其辐射待测天线阵1，将天线阵1接收到信号的相位取共轭即得到重建天线阵远场方向图所需的相位分布。

从图3中可以看出，远场方向图在最大辐射方向(θm＝60°，)的方向性为27.2dbi。直接在r＝40λ的距离上测到的方向图与远场方向图的差距较大，在最大辐射方向(θ＝60°，)的方向性为24.8dbi，比远场方向图降低了2.4db。利用本方案在r＝40λ的距离上测到的方向图与远场方向图吻合良好，在最大辐射方向(θ＝60°，)的方向性为27.1dbi，仅比远场方向图降低了0.1db。

综上所述，本发明提供了一种在辐射近场区重建天线阵远场方向图的近场测试技术。利用本方案中所提出的相位分布，可以在辐射近场区重建出天线阵的远场方向图，有效地缩短了大规模mimo天线阵的测试距离。