相控陣天線測(cè)試的“鷹眼”
----平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
相控陣天線測(cè)試的特性
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，毫米波相控陣天線被人們廣泛的應(yīng)用之后,相控陣天線的測(cè)試也成為了人們關(guān)注的問題,各種各樣的天線也是層出不窮,這對(duì)相控陣天線的測(cè)試要求也漸漸的增大,相控陣天線的分析和設(shè)計(jì)也是離不開相控陣天線的測(cè)試,為了能夠詳細(xì)的了解相控陣天線的各方面的參數(shù)性能,對(duì)相控陣天線的精確測(cè)試就顯得非常重要,相控陣天線的測(cè)試有如下特性：
1
測(cè)試指標(biāo)多：需要測(cè)試波束寬度、第一副瓣抑制度、波束指向、零深、EIRP值、G/T值等；
2
測(cè)試任務(wù)多：需要測(cè)試不同掃描面、和差通道的多頻點(diǎn)多波位方向圖；
3
測(cè)試數(shù)據(jù)量大：每套相控陣天線全指標(biāo)測(cè)試后都有龐大的數(shù)據(jù)，對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、評(píng)估和顯示等是十分耗時(shí)耗力的；
4
待測(cè)天線集成度高：相控陣天線是由天線陣面與射頻電路、信號(hào)控制系統(tǒng)、電源電路等高度集成而成，測(cè)試時(shí)控制復(fù)雜；
5
測(cè)試要求高：測(cè)試過程中對(duì)反射、對(duì)位精度、校準(zhǔn)誤差、掃描域、機(jī)械臂或轉(zhuǎn)臺(tái)精度、儀器穩(wěn)定性等有較高要求。
因此，如何高精、快速、大批量、低成本的完成相控陣天線的性能測(cè)試與分析，對(duì)保證天線品質(zhì)，滿足海量的天線通道測(cè)試需求至關(guān)重要。
相控陣天線測(cè)試場(chǎng)的選擇
根據(jù)使用場(chǎng)景及源到待測(cè)天線的距離，相控陣天線測(cè)試可分為近場(chǎng)測(cè)試、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試、反射場(chǎng)測(cè)試、緊縮場(chǎng)測(cè)試等方式。在實(shí)際設(shè)計(jì)和建設(shè)中，如何選擇相控陣天線測(cè)試場(chǎng)，需要考慮到的幾個(gè)重要的特性和指標(biāo)如下：
天線應(yīng)用領(lǐng)域；
遠(yuǎn)場(chǎng)角度范圍：遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣圖坐標(biāo)系、各種天線性能參數(shù)定義、副瓣特性；
電尺寸：根據(jù)電尺寸和計(jì)算出遠(yuǎn)場(chǎng)距離；
方向性指標(biāo)：掃描范圍；
工作頻率和帶寬：工作頻率設(shè)計(jì)到吸波材料尺寸和暗室工程設(shè)計(jì)及造價(jià)；
環(huán)境和安全性要求：天氣、地表環(huán)境等因素；
其他因素：成本、轉(zhuǎn)臺(tái)、通道切換開關(guān)等。
根據(jù)各種測(cè)試場(chǎng)的建設(shè)與使用實(shí)踐，其指標(biāo)對(duì)比如下表所示。
相控陣天線測(cè)試場(chǎng)指標(biāo)對(duì)比表
平面近場(chǎng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)
由上表可知，從各測(cè)試場(chǎng)的綜合對(duì)比來(lái)看，若要高精、快速、大批量、低成本的完成相控陣天線的性能測(cè)試與分析，平面近場(chǎng)在實(shí)際的相控陣天線測(cè)試中，具有最好的可建設(shè)性。此外，平面近場(chǎng)測(cè)試還有如下優(yōu)點(diǎn)：
測(cè)試精度高，尤其在高頻毫米波領(lǐng)域；
測(cè)試環(huán)境好，靜區(qū)質(zhì)量高；
自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)智能測(cè)試、診斷；
場(chǎng)地利用率高；
建設(shè)周期短，成本低；
支持三維方向圖測(cè)試，波瓣數(shù)據(jù)全；
測(cè)試效率高，支持同時(shí)多頻點(diǎn)多波位測(cè)試；
數(shù)據(jù)處理速度快，可在線數(shù)據(jù)處理，方便問題排查；
因此，平面近場(chǎng)可作為相控陣天線測(cè)試場(chǎng)的選擇。平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的基本原理為：利用天線的近場(chǎng)區(qū)幅相分布和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)幅相分布成數(shù)學(xué)傅里葉變換關(guān)系的原理，通過使用一個(gè)特性已知的探頭，在離開待測(cè)天線幾個(gè)波長(zhǎng)（近場(chǎng)區(qū)）的某一表面進(jìn)行掃描，再利用高精度數(shù)據(jù)采樣模塊和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)在天線近場(chǎng)區(qū)的幅度相位采集，通過對(duì)采集的幅相和位置數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，獲得被測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的輻射參數(shù)，如方向圖、增益、極化特性等的分析。
近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)適合測(cè)試增益較大（＞15dBi）的定向天線、陣列天線等。在增益、副瓣、低副瓣、軸比、零深測(cè)試有比遠(yuǎn)場(chǎng)更優(yōu)秀的測(cè)試性能。
平面近場(chǎng)測(cè)試掃描示意圖
相控陣天線平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的研制歷程
從2017年建立第一個(gè)微波暗室至今,成都瑞迪威科技有限公司（下文簡(jiǎn)稱瑞迪威）共建立了12個(gè)微波暗室(現(xiàn)新場(chǎng)地?fù)碛?個(gè)微波暗室)、3代毫米波平面近場(chǎng)測(cè)試暗箱、2個(gè)平面近場(chǎng)測(cè)試暗室，在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)和平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)上均有較好的理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在此過程中，瑞迪威成立了“成都瑞迪威科技有限公司技術(shù)測(cè)試中心”，并于2022年，取得CNAS認(rèn)證及資質(zhì)。
瑞迪威微波暗室一角
為了高精、快速診斷、分析及測(cè)試相控陣天線的性能指標(biāo)，降低成本，提高產(chǎn)能，成都瑞迪威科技有限公司近年來(lái)一直致力于相控陣天線測(cè)試的專研，特別是平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的研制與優(yōu)化。
誕生：第一代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
2018年，瑞迪威自主研發(fā)了第一代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)尺寸為1.9m（長(zhǎng)）*1.9m（寬）*2.1m（高）,機(jī)械臂的水平掃描范圍為500mm*500mm,Z軸行程300mm,重復(fù)定位精度為±0.02mm。該系統(tǒng)能滿足12GHz-40GHz小口徑相控陣天線的近場(chǎng)校準(zhǔn)和診斷，以及三維方向圖測(cè)試。在研發(fā)階段，能很好的對(duì)天線的性能進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。
瑞迪威第一代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部圖
但是在使用該代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些該代系統(tǒng)的局限性：
機(jī)械臂掃描范圍只有500mm*500mm，更大尺寸的相控陣天線無(wú)法滿足測(cè)試需求；
在待測(cè)天線和探頭的調(diào)平和對(duì)位上，需要測(cè)試人員參與，這個(gè)過程效率較低，不利于批量化的相控陣天線校準(zhǔn)和測(cè)試。
因此，為更高效地測(cè)試批量化及更大尺寸的天線，我們開始升級(jí)平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。
成長(zhǎng)：第二代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
在2020年，瑞迪威開發(fā)了第二代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)試頻率范圍升級(jí)為8GHz-40GHz，機(jī)械臂的水平掃描范圍為800mm*800mm/1100mm*720mm,Z軸行程400mm,水平方向重復(fù)定位精度為±0.05mm，垂直方向重復(fù)定位精度為±0.02mm。該代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)增加視覺系統(tǒng)、集成圖像處理和自動(dòng)對(duì)位算法，可自動(dòng)完成待測(cè)天線與探頭的對(duì)位，無(wú)需人為調(diào)平，測(cè)試效率高；此外，還優(yōu)化了自動(dòng)進(jìn)出料平臺(tái)，使系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到150kg，可滿足較大較重的相控陣天線測(cè)試。
瑞迪威第二代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
隨著我們深入使用該代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)該代測(cè)試系統(tǒng)能滿足我們相控陣天線的研發(fā)和批量生產(chǎn)的診斷、性能測(cè)試等，但是離我們理想的明星產(chǎn)品，還有一點(diǎn)差距，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
受SCARA機(jī)械臂的臂長(zhǎng)限制，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)掃描范圍的擴(kuò)展。若要測(cè)試更大尺寸的天線，需要使用自重更大、成本更高、工作空間更大的六軸機(jī)器人，這會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的占地更大，對(duì)使用場(chǎng)地的要求更高。
該代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)尺寸為2.6m（長(zhǎng)）*2.6m（寬）*2.8m（高），重量達(dá)到1018kg,對(duì)使用場(chǎng)地的承載及空間均有一定要求，在搬運(yùn)及安裝時(shí)也有許多不便。
于是，為了更高效地?cái)U(kuò)展和移植測(cè)試系統(tǒng)、滿足平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)“上樓入戶”的目標(biāo)，我們?cè)俅紊?jí)了平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。
標(biāo)準(zhǔn)：第三代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
在2022年，瑞迪威設(shè)計(jì)開發(fā)了第三代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)為瑞迪威的標(biāo)準(zhǔn)平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。該代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)在第二代系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加掃描范圍到1000mm*1000mm，同時(shí)，變革力學(xué)設(shè)計(jì)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)仿真與論證，將該代測(cè)試系統(tǒng)的尺寸縮小到了1.8m（長(zhǎng)）*1.7m（寬）*1.8m，重量縮小到400kg,該代測(cè)試系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，拆卸和組裝便捷，可輕松進(jìn)入電梯，也可根據(jù)產(chǎn)品的尺寸縮放箱體，整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植性強(qiáng)。
此外，再次優(yōu)化了進(jìn)出料平臺(tái)，使平臺(tái)負(fù)載達(dá)到200kg，且進(jìn)出料效率更高，可滿足更大、更重的相控陣天線測(cè)試。
瑞迪威第三代平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
升級(jí)：平面近場(chǎng)測(cè)試暗室
為了滿足更大尺寸相控陣天線的測(cè)試需求，瑞迪威自主開發(fā)了兩套平面近場(chǎng)測(cè)試暗室，該暗室測(cè)試頻率范圍覆蓋X波段以上，可測(cè)試最大口徑2.5m，可同時(shí)多通道、多頻點(diǎn)、多波位自動(dòng)測(cè)試，具備通道診斷、快速指標(biāo)測(cè)試功能。
瑞迪威平面近場(chǎng)測(cè)試暗室
瑞迪威的平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過三輪迭代及算法更新，已十分穩(wěn)定。目前，最新的平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)已具備一鍵高精、快速、自動(dòng)的測(cè)試功能，無(wú)需測(cè)試人員手動(dòng)裝夾及調(diào)整產(chǎn)品，自動(dòng)化程度高，為即將建設(shè)的智能測(cè)試工廠打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
智能測(cè)試工廠產(chǎn)品傳送部分(供參考)
關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)
近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1
理論嚴(yán)格
包含探頭特性的全部數(shù)據(jù)都被表示為麥克斯韋方程精確解的線性組合,而未引入小角度,標(biāo)量繞射等近似解；
2
精度高
消除了遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的近距效應(yīng),各種誤差源可以檢測(cè)并補(bǔ)償,信噪比高,重復(fù)性好；
3
信息量大
一次掃描可獲得整個(gè)空間全部信息,如幅度、相位、極化、三維方向圖等；
4
診斷功能強(qiáng)
通過重建口徑場(chǎng),可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量難以發(fā)現(xiàn)的故障，對(duì)相控陣天線，通過診斷測(cè)試對(duì)AUT口徑面存在的失效、超差、誤碼等進(jìn)行識(shí)別、標(biāo)定，為更換器件修正通道誤差提供依據(jù)。
瑞迪威平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
1
高精自動(dòng)對(duì)位技術(shù)
采用高精視覺系統(tǒng)及前沿圖像處理算法，自動(dòng)完成天線陣面的對(duì)位與測(cè)試，工作效率高；
視覺系統(tǒng)對(duì)位過程
2
校正算法完備
集診斷、測(cè)試于一體，一鍵自動(dòng)化測(cè)試,功能齊全；
天線通道診斷
3
校正算法完備
集成鏈路校準(zhǔn)、誤差補(bǔ)償、波動(dòng)修正等多種校正和處理算法，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)；
近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)校正
4
通用性強(qiáng)
支持Keysight、R&S、中電科等主要儀器廠商的各種儀表；
常見廠商儀表
5
移植性強(qiáng)
配置靈活，可根據(jù)需求定制縮放平臺(tái)。
平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)
瑞迪威平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)功能
平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)基于快速傅里葉變換，將相控陣天線口徑場(chǎng)、近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)之間電磁矢量空間分布特性進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，能夠高效系統(tǒng)地完成天線測(cè)量、故障診斷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的組成框圖如下所示。
平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的框圖
瑞迪威平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)主要有以下功能:
具備通道校準(zhǔn)功能；
可用于多種類型天線的測(cè)試、調(diào)試、問題診斷和檢驗(yàn)；
具備口面場(chǎng)、近遠(yuǎn)場(chǎng)變換反演功能；
具備多通道、多頻點(diǎn)、多波位測(cè)試功能；
具備天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試功能；
具備天線增益測(cè)試功能；
可測(cè)試天線極化特性；
可測(cè)試天線G/T、EIRP；
可計(jì)算天線相位中心；
支持脈沖體制相控陣和DBF體制相控陣測(cè)試；
支持變頻測(cè)試；
支持自動(dòng)完成天線陣面的對(duì)位與測(cè)試；
具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、整理、分析、輸出的功能。
相控陣天線測(cè)試過程
平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、易部署、速度快、成本低等特點(diǎn)，在建設(shè)場(chǎng)地小、建設(shè)預(yù)算不高的相控陣天線研發(fā)及批量測(cè)試中，均可選擇平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)作為相控陣天線測(cè)試平臺(tái)。
