多探头球面近场天线测试效率提升方法*

陈雷，丁明玲，鲁帆**，姜华，樊勇

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.北京市电磁兼容与天线测试工程技术研究中心，北京 100094；3.中国电信股份有限公司广东研究院评测中心，广东 广州 510630）

0 引言

移动通信技术的蓬勃发展推动了天线测量技术的进步，球面近场测量技术作为近场测量的主要手段之一，由Hansen等人于1988年对相关理论做了较为详尽的总结[1-2]。球面近场测量的近场采样面是一个球面，在完成近场数据采集后，利用严密的近场到远场变换算法，可推导出准确远场。由于球面近场的数据采样在4π空间，因此其近场数据相对其他近场测量更完整，并能够得到待测天线三维空间的方向图信息[3]。最早发展起来的是单探头球面近场测量技术，应用单探头球面近场测量时，由于空间每一个点的采集都要控制机械转台转动，测量效率相对较低。

解决球面近场测试效率低的一个思路是减少近场采样数，同时保证有足够的近场信息能够变换出远场。一种实现方法是对缩减后的近场采样数据进行不同方式的插值处理[4-6]，再做近远场变换，在满足一定采样条件的前提下，利用该方法能缩短测量时间并较准确计算出远场。基于大部分天线的辐射远场主要由少数的球面波模式系数确定这一特点，有人尝试将压缩感知运用到球面波展开系数的求解过程中[7-11]，该方法同样通过减少采样点并利用数学方法算出有用的球面波系数，而如何能更好地应用压缩感知，还需要进一步研究。针对由于待测天线偏离测试中心而必须大量增加近场采样点的问题，有人提出了对球面近场到远场变换算法进行改进[12-13]，同样实现了减少采样点并提升了测试效率。

为解决单探头球面近场测量效率低的问题，法国MVG公司于1999年提出了多探头球面近场测量系统[14]。该系统的工作原理仍基于基本的球面近场测量理论，但创新了实现方式，采用探头散射调制技术和阵列开关控制[15]，在扫描面的一个维度上用多探头电扫描采样代替了转台转动采样，实现了测量效率的大幅度提升。电扫描多探头球面近场测量系统由于可测量三维空间方向图且测试效率高，一经投入使用便得到了国内外很多基站天线生产商的青睐，并逐渐推广至国防、军工等领域[16]，此时国内也开始了对球面近场测试的研究[17]。

多探头测试系统一般采用等角度采样，俯仰方向通过等角度分布的多个探头电扫描实现，方位方向通过机械转台等角度旋转实现。采用等角度采样的一个重要原因是在近远场变换时可使用快速傅里叶变换（FFT）来提升计算效率。本文主要讨论通过设置更优的近场采样间隔以及利用电子开关技术提升近场采样效率，进而提升多探头球面近场天线方向图测试效率。

1 近场采样方案分析与验证

1.1 近远场变换算法验证

为从理论上验证不同采样方案的应用效果，需要用到球面近远场变换技术。本文采用球模式展开法实现不考虑探头影响时的近远场变换[18-20]。在已知包围待测天线的封闭球面切向电场时，利用该方法可准确计算出待测天线辐射远场方向图。

E利用球面波展开，远场的电场分量可以表达为：

其中，Lmn和mnL′ 可用连带勒让德函数表示。amn和bmn是权系数，可分别表示为：

其中，fn(kr)和gn(kr)可用第二类球汉克尔函数表示。权系数中的积分项Vθ(θ,φ)和Vφ(θ,φ)可通过离散傅里叶变换计算，并可应用FFT快速算法。

利用HFSS软件设计一个工作在2 GHz的角锥喇叭天线，计算出E面和H面的近场和远场方向图。近场数据在θ（俯仰）和φ（方位）方向都是1°采样间隔，采样半径是1.2 m（8倍波长），利用近远场变换算法，可直接将近场数据变换到远场。所设计天线尺寸及仿真和变换远场的对比结果如图1所示。

从图1（b）和（c）看出，喇叭天线E面和H面的变换远场与仿真远场方向图吻合良好，表明所采用的变换算法是正确的。

图1 角锥喇叭天线及仿真和变换远场在E面和H面对比

1.2 近场采样方案分析

多探头电扫描球面近场测试系统一般采用θ扫描方案，即θ方向扫描、φ方向步进，且θ方向采用多探头电扫描，φ方向利用转台步进采样。由于电扫描速度比步进速度快得多，因此转台步进是制约整个系统扫描速度提升的一个重要因素。

传统多探头球面近场测试系统的θ和φ方向的采样间隔一般是相同的，并采用θ扫描φ步进方案。根据文献[2]，公式(1)和(2)中的球面波函数序列数N=kr+n（r为包围待测天线的最小球半径），为保证实际的测试精度要求，n一般取10。球面近远场变换如果使用FFT算法，则φ方向采样数Jφ应该满足Jφ≥2N+1，θ方向采最少采样数Jθ应该满足Jθ≥N+1。针对图1中的待测天线（r=3λ），N≈29，则φ方向采样数Jφ应该不小于59。

假设θ方向的采样间隔是固定的2.5°（对应Jθ为72），而φ方向的采样间隔被分别设置为2.5°、6°和7.5°（对应的Jφ分别为144、60和48）。应用相同的球面近远场变换算法，得到喇叭天线不同采样方式下E面和H面的变换远场及仿真远场对比结果[21]如图2所示：

图2 φ方向取不同采样间隔时变换和仿真远场方向图在E面和H面的对比

从图2可看出，当φ采样间隔分别为2.5°和6°时，E面和H面的变换远场与仿真远场方向图吻合良好，而当φ的采样间隔为7.5°时，H面的方向图出现了一些偏差。因此，在满足最少采样点要求时，适当增加φ方向采样间隔并没有对测试精度产生大的影响，φ采样间隔取6°相对2.5°可减少约一半的采样点数，因此可以提升天线方向图测试效率。由于多探头球面近场探头在θ方向按等角度分布，扫描点数不可随意更改，而φ方向采样利用转台步进，步进间隔可根据需要设置。因此，一种更高效的采样方案是在满足采样点要求的前提下，控制转台增加φ方向采样间隔。

为进一步验证不同采样间隔是否会对天线方向图测试精度产生影响，利用球面近场测试系统，通过实际测试，对比不同采样方案得到的方向图。选取一款8端口板状移动通信基站天线，架设在测试场中心位置，待测天线最小球半径约0.69 m，可计算出N≈39。保持θ方向2.5°采样间隔，φ方向采样间隔分别取2.5°（Jφ=144）和4.6°（Jφ≈39），完成1个通道6个频点的测试，总测试时间分别是7分53秒和5分44秒，方向图测试结果对比如表1所示。

从表1可看出，虽然φ方向的采样间隔不同，但测得的方向图指标吻合良好，尤其交叉极化、前后比等低电平指标也吻合较好，这说明在满足最少采样点条件下，适当增加φ方向采样间隔可以保证测试精度，而φ方向采用4.6°采样间隔所需测试时间明显短于采用2.5°采样间隔。φ方向4.6°采样间隔满足采样要求，如果继续增加采样间隔，方向图测量误差也将会随之逐渐增大，这是因为在进行球模式系数求解时，需要有足够的采样点才能保证计算准确。

表1 板状移动通信基站天线利用不同采样方案测试得到的方向图指标

这种测试效率提升方法可适用球面近场各种类型天线测试。针对电小尺寸天线，当θ方向的探头分布间隔小于待测天线在该方向的最大采样间隔时，可适当增加φ采样间隔提升测试效率，而针对电大尺寸天线，θ和φ方向都应满足采样间隔的最低要求。另外，如果φ采样间增加，总采样点数会相应减少，则在近远场变换时也能缩短计算时间。

2 多通道测试采样分析

目前的球面近场测试系统多通道测试大多采用机械开关，机械开关切换速度慢（毫秒级）且使用寿命有限（约100万次），测试多端口天线时只能逐个端口外循环方式测试，即利用探头电扫描和转台步进完成一个端口的近场采样后再对下一个端口做采样。使用电子开关测试多端口天线时，由于开关切换速度快（微妙级）且理论上可无限次使用，因此可实现多个端口同时采样的内循环方式测试，即转台在φ方向每步进一次，系统通过电切换方式完成多个端口近场数据采样，转台完成最后一次步进时，待测天线多个端口所有近场数据也采集完。

采用探头半环分布的球面近场测试8端口移动通信基站天线时，转台需要旋转360°。假设φ方向采样间隔为2.5°，如果使用机械开关和外循环采样方式，则转台需步进1 152次，开关切换8次；如果使用电子开关和内循环采样方式，则转台需步进144次，开关切换1 152次。由于电子开关切换时间很短，切换次数多并不会显著增加测量时间，而转台步进慢，步进次数多则会显著增加测量时间，因此使用机械开关时转台运转占用的时间远多于使用电子开关。

为比较按照不同采样方案测试多端口天线时的测试效率，选取了一款典型的8端口移动通信基站天线，在多频多探头球面近场测试系统进行测试，测试状态如图3所示。分别采用机械开关加外循环采样方式和电子开关加内循环采样方式进行测试，记录实际测试时间。当θ采样间隔为固定的2.5°、φ采样间隔分别选择2.5°和4.6°时，使用机械开关和电子开关测试同一副8端口天线的总时间对比如表2所示。

图3 使用多通道电子开关（SP16T）测试8端口基站天线

表2 使用机械开关和电子开关测试8端口基站天线的时间对比

从表2可看出，使用电子开关测试多端口天线可显著提升系统测试效率。电子开关加内循环的采样方式只是改变了待测天线各端口采样顺序，并不会对系统测试精度产生影响。这种采样方式适用于多端口天线测试场景（如多端口基站天线测试），同时也适用于考察多副天线间相互影响时的测试场景，多端口天线或多副天线测试时，不同端口可设置不同的测试频点，在进行采样间隔计算时，需要满足最高频点的测试要求。

电子开关相对机械开关的插损大且通道间一致性较差，因此在使用电子切换开关时需要特别注意各通道的一致性校准，可利用矢量网络分析仪对开关各个通道（连同测试电缆）的幅相进行单独校准，并在进行多通道测试前需将校准结果输入测试系统。

3 结束语

本文提出了针对多探头球面近场测试系统的测试效率提升方法。在满足采样规则的前提下，θ和φ方向采样间隔可以不相同，并理论上验证了利用转台控制φ方向按最大采样间隔采样，能够提升多探头球面近场测试效率。在测试多端口天线时，采用电子切换开关加内循环的采样方式可以进一步大幅度提升多端口天线方向图测试效率。后续，将在此基础上继续研究通过改变球面近场采样方案和近远场变换算法来提升测试效率的方法。