CN111830473A - 一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，基于紧缩场偏焦控制和馈源阵激励源技术，可实现高质量近场球面波前模拟。通过对激励源位置的调整实现对反射面偏焦照射，偏焦后的反射面近场等效为不同位置处球面波源的近场波前，当激励源位置连续变化时，等效球面波源的位置也会连续变化，且近场球面波前的等效源位置在大范围内连续可调，且调整量与所期望的控制量间存在放大关系，即紧缩化地实现大距离范围内的近场模拟。激励源为馈源阵形式，通过对馈源阵单元幅相加权可综合出高质量准球面波波前，以克服单馈源激励产生的球面波存在的较大波前畸变的问题。本发明是用紧缩场实现大距离范围内可调且高质量球面波前的等效近场电磁环境。

Description

一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器
技术领域
本发明涉及雷达的技术领域，具体涉及一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器。
背景技术
随着通信和雷达技术的深入发展，电子设备的高逼真仿真模拟测试对提升研发质量和加快研制进度有极为重要的作用。传统的通信天线和雷达天线的发射或接收是以平面波前的形式相互作用，天线***调试、整机***模拟测试和***工作均以平面波场为环境条件，如直接远场、紧缩场、近场扫描的等效远场。然而随着新一代通信和雷达技术的发展，试验研究目标的电尺寸在不断增加，电磁波与目标的工作作用距离并不满足远场条件，收发天线上波前的相互作用将表现得较为复杂。例如Massive MIMO阵上的天线收发、导引头末端制导时的雷达目标散射，均以近场球面波前的形式发生作用。相比远场存在的唯一确定，近场波前变化不具有唯一性、场的幅度并非简单反比于距离。无线电***的模拟仿真测试和整机调试虽可直接控制收发天线之间的距离，或天线与雷达目标之间的距离来实现近场波前模拟，但调整量即为控制量、二者之间不成放大关系，给模拟试验研究带来困难。基于紧缩场***的单馈源近场球面波模拟器虽可紧缩化地实现大距离范围内的近场模拟，但是其形成的球面波前存在较大的波前畸变，给模拟试验研究带来不可忽视的误差。本发明所述的基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，通过馈源阵作为激励照射反射面，可实现高质量的球面波模拟。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，通过对馈源阵加权合适的幅相值并偏焦照射反射面来综合出高质量、小畸变近场球面波前，本发明能有效解决基于紧缩场***的单馈源近场球面波模拟器在等效电磁环境静区产生的球面波存在较大波前畸变的问题。其通过馈源阵偏焦和馈源阵幅相加权，综合出等效球面波源位置大范围连续可调的高精度的球面波前，主要应用于紧缩化地实现无线电***的模拟测试，通信天线或雷达目标在近场工作时所需的球面波电磁环境，例如用于Massive MIMO天线的近距通信、精确制导雷达的末端信号模拟与测试，用以提升模拟仿真的测试质量、提高试验效率和降低试验成本。
本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，该模拟器由紧缩场反射面、激励源、激励源偏焦控制***和等效电磁环境区组成。其中，所述的紧缩场反射面为一抛物面，用于重聚焦馈源阵发射的入射电磁波束；所述的激励源为馈源阵，所述的激励源偏焦控制***是由机械电子设备调整激励源对反射面的照射位置。所述的等效电磁环境静区，是由激励源照射反射面形成的近场球面波前电磁场区域，用于无线电***的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试以及近场电磁散射测试。
进一步的，所述基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器工作时，通过对馈源阵各单元加权合适的幅相值，可在静区内形成高质量的近场球面波前。
进一步的，所述基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器工作时，通过调整馈源阵的横向位置，将静区内电磁场等效为近场球面波前。
进一步的，所述基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器工作时，通过补偿调整馈源阵的纵向位置，将等效近场的球面波保持控制在固定区域，形成等效的近场球面波前电磁环境，用于无线电***的模拟测试。
进一步的，所述基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器工作时，通过调整馈源阵的位置，可实现近场波前的球面波源等效位置在大范围内连续可调，且调整量与所期望的控制量间存在放大关系，即紧缩化地实现大距离范围内的近场模拟。
进一步的，所述基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，能应用于无线电***的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试。
本发明的技术原理如下：
一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，主要由紧缩场反射面、激励源(馈源阵)、激励源偏焦控制***和等效电磁环境区组成。馈源阵偏焦照射反射面，且通过给馈源阵各单元加权合适的幅相值，即可在固定区域形成高质量的球面波波前，用于待测件近场模拟测试。
馈源阵偏焦照射抛物面，可通过调整馈源阵的位置来实现不同距离的等效球面波源的近场波前模拟，如图1所示。
轴向偏焦、等效模拟球面波源位置和抛物面焦距满足约束关系，如下式所示，
Figure BDA0002550829190000021
其中：F′为等效球面波源的位置，F为抛物面焦距，Δz为轴向偏焦量。
为将近场球面波保持在固定位置以等效电磁环境区的使用，
Figure BDA0002550829190000022
其中：Δy为横向偏焦量，H为反射面中心高度，γ为馈源阵几何中心与反射面中心—焦点之间连线的与抛物面旋转对称轴之间的夹角。
因此，基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器实现的近场波前的等效球面波源位置在大范围内连续可调，且调整量与所期望的控制量间存在放大关系，即紧缩化地实现大距离范围内近场模拟。
需要指出的是，式(1)约束关系和式(2)偏转补偿均为几何光学意义上的近轴近似表达，等效形成的球面波波前存在二阶以上的高阶分量。当在边缘绕射严重的低频段(如口径小于30倍波长)和偏焦量较大(如Δz＞0.3F)时，并不满足光学射线理论和近轴近似的成立条件，需采用更为精密的方法来精确计算和评估，如物理光学或矩量法等计算电磁学算法。
其中，近场波前模拟实现所依赖的馈源阵激励实现，不局限于相控阵天线，包括反射阵、透射阵等。
其中，近场波前模拟实现所依赖的紧缩场工作原理，不局限于反射面***的方案类型，包括单反射面、双柱面、格里高利式或卡塞格伦式、甚至多反射面。
其中，紧缩场***的反射面口面设计，不局限于反射面某特定的边缘形式，包括锯齿或卷曲处理。
其中，模拟实现的球面波前的工作频段，不局限于特定要求。最高频率依据根据反射器型面精度、静区场相位残差容许来确定，多馈源幅相加权激励后的球面波相位最大残差可控制在10度以内。最低频率需至少满足反射器口径电尺寸大于10～17倍波长。
其中，近场波前模拟实现所依赖的馈源阵调控***，不局限于特定实现方式，包括手动控制或电动控制实现。
其中，模拟实现的等效球面波源位置的连续调整，范围内的最近处依赖于残差容许、最远可为在焦激励时的无穷远。
其中，模拟近场的布置不限于室内或室外，为了将背景电磁环境处于可控试验条件下，建议模拟器设置于微波暗室内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器可以通过对馈源阵进行合适的幅相加权值来解决单馈源反射结构产生的球面波存在较大波前畸变的问题，校正出高质量的准球面波。
(2)基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器可工作于更为可控的自然环境或电磁环境内，有利于改善电磁模拟调试的试验条件，降低试验成本，提高试验效率。优于受自然气候影响较大的外场。
(3)基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器可模拟工作于更大范围的等效球面波源位置，利于动态可变配置试验所需的近场波前，有利于模拟测试所需更为逼真和多变的近场电磁环境。优于直接控制收发距离的近场。
(4)基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器可工作于较宽的无线电频段内，能用于常用的微波和毫米波波段。如2m级的紧缩场反射面，1m级的静区能覆盖S(2～4GHz)、C(4～8GHz)、X(8～12GHz)、Ku(12～18GHz)、K(28～27GHz)、Ka(27～40GHz)、U(40～60GHz)、V(60～80GHz)波段和W(75～110GHz)波段。
附图说明
图1是本发明的***工作原理示意图，其中，1为紧缩场反射面，2为馈源阵，3为馈源阵方向图，4为等效球面波源，5为馈源阵偏焦时的等效的同心球面波前，4为源点和球心，6为等效电磁环境区，7为紧缩场反射面顶点，8为紧缩场反射面焦点，9为馈源阵几何中心。
图2是应用本发明提出的多馈源阵近场模拟器在等效电磁环境区某一截面的球面波相位分布图，其中，理想的等效球面波源位于该截面中心35.96m处。
图3是单馈源近场模拟器在与图2同一截面的球面波相位分布图，其中，除激励源与图2中仿真***不一样外，***其余参数如紧缩场反射面尺寸、等效球面波源位置、工作频率等均相同。
图4是截取图2、图3截面上的纵截线的波前波程与期望的波前波程对比图，以及这两截线的波程分别与期望波程的波程作差比波长值的对比图。
图5是截取图2、图3截面上的横截线的波前波程与期望的波前波程对比图，以及这两截线的波程分别与期望波程的波程差比波长值的对比图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，紧缩场反射面1，当馈源阵2中仅位于馈源阵几何中心的单一馈源工作于反射面焦点时，静区内的电磁环境为平面波场。当馈源阵2偏焦照射反射面时，偏焦位置由式(1)确定，静区场为式(1)中F'位置处等效源产生的球面波场。馈源阵偏焦时的等效的同心球面波前5的源点和球心为等效球面波源4。紧缩场反射面1用于重聚焦馈源阵2发射的电磁波，馈源阵2作为激励源发射电磁波，馈源阵方向图3为馈源阵2发射电磁波的远场方向图，等效球面波源4为模拟器在近场区模拟的等效球面波前的球面波源，馈源阵偏焦时的等效的同心球面波前5为模拟器模拟的以等效球面波源4为球心和源的近场球面波前，等效电磁环境6为模拟器模拟出的等效电磁场，紧缩场反射面顶点7为紧缩场反射面1所在抛物面的顶点，紧缩场反射面焦点8为紧缩场反射面1所在抛物面的焦点，紧缩场反射面顶点7和紧缩场反射面焦点8可用于确定紧缩场反射面1的位置和形状，馈源阵几何中心9为馈源阵2的中线焦点，用于确定馈源阵的位置。
紧缩场反射面是将经边缘处理设计的反射面采用机械加工的方法制造。反射面包括工作面和安装背架，前者用于变换馈源阵发出的波前到所期望的波前，后者起机械支撑和定位作用。此外，反射面的型面精度和与馈源控制定位需使用调整和定位机构来保证。
***偏馈设计目的是避免馈源阵***对反射面的遮挡，而偏馈必将引起馈源至口面底端和顶端波程的路径衰减不一致，可通过对馈源阵馈源加权来补偿空间路径不平衡。***偏馈的目的是形成波前二阶弯曲，而仅轴向偏焦必将反射波束偏转，可通过调整馈源阵纵向位置保持静区位置固定。所以，紧缩场的馈源阵支架还需具有轴向和横向平移功能。
反射面实体的功能是将加权馈源阵发射波校正为所期望的近场波前，反射面边缘处理是用以形成口径幅度锥削来抑制边缘绕射对静区的影响。
本发明优选实例：
如图1所示的近场模拟器反射面与场分布示意，***坐标原点位于紧缩场反射面顶点7处，坐标系设置如图1所示。工作频率1GHz，紧缩场反射面尺寸：10m×10m，焦距12.25m，反射面为截取抛物面顶点为(0，0，0)的无限大抛物面的一部分，模拟近场等效电磁环境的静区距离反射面顶点的口面15.75m，通过轴向移动馈源阵和改变幅相加权值可以等效实现球面波源由300090.3m至35.96m距离范围内的连续模拟。偏焦馈源阵尺寸：1.2m×1.2m，馈源阵上边缘中心点位于(0m，8.3685m，10.54m)坐标处，等效实现近场球面波源为距离35.96m处产生的球面波，仿真结果如图2所示。
同样***参数布局的情况下，基于紧缩场***的单馈源近场模拟器在该截面上的相位分布仿真结果如图3所示，对比图2和图3可知，多馈源阵近场模拟器模拟的球面波前相位分布更能逼近与理想球面波前在截面上同心圆分布的形式。
如图4、图5所示，分别截取图2和图3中的纵截线和横截线与期望的球面波前做对比，多馈源阵近场模拟器的波程分布(相位分布)与期望值更吻合，误差更小，且多馈源近场模拟器所实现的球面波前与期望波前的最大误差值在3.6°以内，能满足近场电磁环境应用需求。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，其特征在于：该模拟器由紧缩场反射面、激励源、激励源偏焦控制***和等效电磁环境区组成，其中，
所述的紧缩场反射面为一抛物面，是精密机械加工的曲面，通常中心实体部分为旋转抛物面或球面，边缘通常锯齿或卷曲处理，用以校正激励波前转换为所期望的波前，用于将激励源发出的电磁波反射后在较小距离内紧缩的在固定区域形成所需的近场球面波波前；
所述的激励源，是馈源阵，通过给馈源阵各单元加权合适的幅度、相位权值，可综合出高质量的准球面波波前，以解决单馈源激励照射产生的球面波存在的较大波前畸变的问题；
所述的激励源偏焦控制***，是由机械电子设备调整激励源对反射面的照射位置，以控制等效球面波源的位置，用于在静区模拟不同位置等效波源的近场球面波前时所需激励源在轴向和横向的位置调整；
所述的等效电磁环境静区，是由偏焦的馈源阵照射反射面形成的准球面波电磁场区域，用于无线电***的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试以及近场电磁散射测试。
2.如权利要求1所述的基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，其特征在于：激励源为馈源阵，通过给各天线单元加权合适的幅度与相位，可在紧缩场静区内综合出无畸变的近场球面波前，多馈源阵的实现不局限于相控阵天线，可为任意综合出的电磁辐射源。
3.如权利要求1所述的基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，其特征在于：所述的近场模拟器在馈源阵偏焦工作时，通过调整馈源阵的轴向偏焦位置，将紧缩场静区内电磁场等效为近场球面波前，该球面波前的等效波源位置取决于馈源偏焦位置。
4.如权利要求1所述的基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，其特征在于：所述的近场模拟器在馈源阵轴向偏焦工作时，通过补偿调整馈源阵的横向位置，将等效近场的球面波保持控制在固定区域，形成等效的电磁环境，用于无线电***的模拟测试。
5.如权利要求1所述的基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，其特征在于：实现的近场波前球面波源等效位置在大范围内连续可调，且调整量与所期望的控制量间存在放大关系，即紧缩化地实现大距离范围内的近场模拟。
6.如权利要求1所述的基于紧缩场***的多馈源阵近场模拟器，其特征在于：所述的等效电磁环境能应用于无线电***的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试。
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