CN113411814B - 一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场装置及测试方法 - Google Patents

一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场及测试方法，包括测试产线机械转轴传送带，所述测试产线机械转轴传送带用于运行待测设备，所述测试产线机械转轴传送带上方分别设置有2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器，所述有2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器上分别连接有馈源天线，所述馈源天线发出的电磁波通过该超表面后在测试产线机械转轴传送带固定区域产生静区平面波。本发明通过透射型超表面结构来单独实现调幅和调相功能，并将以上两种超材料结构结合在短焦距产生平面波静区，适用于Sub6GHz频段，并且可以应用到商用产线测试，提升测试效率。

Description

一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场装置及测 试方法
技术领域
本发明涉及紧缩场技术领域，具体涉及一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场装置及测试方法。
背景技术
5G建设已进入飞速发展阶段，根据相关协议，5G频段主要分为Sub6GHz和毫米波频段，中国三大运营商以Sub6GHz频段为主。频段划分不同也意味着相关的测试技术也发生改变，紧缩场作为发展较为成熟的测试方式，也会根据不同的测试需求进行改变。紧缩场主要分为反射型紧缩场和透射型紧缩场，反射型紧缩场相关技术较为成熟，主要设计方案为反射面紧缩场，包括单反射面和多反射面，其优点就是大静区和较好的静区指标；透射型紧缩场包括超表面紧缩场和全息紧缩场，全息紧缩场特点是成本低，易加工，缺点是频带窄，焦距长，多适用于太赫兹。当前关于Sub6GHz频段紧缩场的应用多采用反射面紧缩场，不过该方案体积巨大，造价昂贵。此外，超表面紧缩场研究方案较少，并且多数采用较大焦距，对于实际测试带来诸多限制。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提出一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场及测试方法，通过透射型超表面结构来单独实现调幅和调相功能，并将以上两种超材料结构结合在短焦距产生平面波静区，适用于Sub6GHz频段，并且可以应用到商用产线测试，提升测试效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场，包括测试产线机械转轴传送带4，所述测试产线机械转轴传送带4用于运行待测设备5，所述测试产线机械转轴传送带4上方沿传送方向设置有2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器1和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器2，所述有2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器1和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器2上分别放置有馈源天线3，所述馈源天线3发出的电磁波通过相应的超表面后在测试产线机械转轴传送带4固定区域(虚线标志区域)产生静区平面波。
所述2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器1为500×500mm，静区占比40％，焦距为1.25波长(144mm)，整体结构剖面距离为2.34波长(270mm)。
所述2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器1和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器2分别由29×29个单元结构6平面排布组成，所述单元结构6的结构由垂直设置的5层结构组成，包括x极化接收层6-1、介质传输层6-4、极化旋转及相位控制层6-2、介质传输层6-5以及y极化发射层6-3，所述x极化接收层6-1与极化旋转和相位控制层6-2之间设置介质传输层6-4，所述y极化接收层层6-3和极化旋转及相位控制层6-2之间设置介质传输层层6-5，五层结构用于实现宽带高透射率以及360°的透射相位覆盖，并且具有极化旋转功能。
所述超表面紧缩场准直器包括调相超表面1-1和调幅超表面1-2，调相超表面1-1和调幅超表面1-2分别由单元结构6组成，所述调相超表面1-1和调幅超表面1-2以一定间距垂直摆放；
所述调相超表面1-1中包括透射源天线，透射源天线即馈源天线3，是已知天线，得到焦距处天线的相位分布，将馈源天线3在该平面的相位分布离散化，得到分布公式：
Figure GDA0003657634750000031
Figure GDA0003657634750000032
是平面中心处的相位，
Figure GDA0003657634750000033
是根据不同的x，y所得到单元结构6相位差(由于离散设计，x，y为0,1,2…,14)，而调相超表面1-1则是通过调节，将整个平面的离散相位都等于平面中心处相位：
Figure GDA0003657634750000034
Figure GDA0003657634750000035
为调相超表面1-1的相位分布，而
Figure GDA0003657634750000036
则是通过得到调幅超表面1-2的幅度静区处的相位分布，将其离散化得到的相位。
所述调幅超表面1-2通过调节超表面单元结构6的排布来改变透射波幅度分布，其相位分布是引入一个新的相位补偿公式：
Figure GDA0003657634750000037
Figure GDA0003657634750000038
为调幅超表面的相位分布，f为焦距，
Figure GDA0003657634750000039
为阈值角度范围内的透射超表面单元相位，设置阈值角度为40°。
一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场测试方法，包括以下步骤；
首先固定馈源天线3，在焦距处依次放置调幅超表面1-2和调相超表面1-1，则该紧缩场装置布置完成；
之后，确定静区位置，将待测天线或者待测设备置于静区中心，由于静区内为平面波，对于待测天线或设备认为满足远场入射波条件，则进行相关的远场测试。
本发明的有益效果：
本发明带宽(以中心频率2.6GHz为例)为20％，通过单元调整，可以运用于商用5G的Sub6G频段。可以根据不同频段如2515MHz-2675MHz以及3400MHz-3600MHz设计不同的超表面紧缩场准直器，由于本设计方案结构尺寸不大，剖面低，结构易摆放，可以与测试产线结合，利用传送带将待测设备快速通过不同频段的超表面紧缩场生成的测试区域进行测试，提升测试效率，并且相较于反射面紧缩场场地要求低，造价低，具有较高的商业实用性。
附图说明
图1是结合测试传送带的多频带商用测试示意图。
图2是超表面结构与单元结构示意图。
图3是调幅超表面和调相超表面相位示意图。
图4是调幅超表面和调相超表面幅度示意图。
图5是超表面紧缩场幅度和相位示意图。
图6是超表面紧缩场测试示意图。
图7是超表面紧缩场静区相位分布图。.
图8是超表面紧缩场静区幅度分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明利用所设计短焦距超表面紧缩场方案提出一种商用多频段产线测试方法。图1中，1和2分别是用在2.6GHz和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器，3是宽带馈源天线，4是测试产线机械转轴传送带，5是待测设备。1和2垂直架设在传送带上方，馈源发出的电磁波通过该超表面后在传送带固定区域(虚线标志区域)产生静区平面波。待测设备经过传送带的移动，以一定速率到达1产生的测试静区，经过短暂停留测量后，以相同速率到达2产生的测试静区，同样经过短暂的停顿并测量之后，继续跟随传送带向下一个测试项目移动。本方案所设计的超表面结构(以2.6GHz频段超表面1为例)为500×500mm，静区占比40％，该静区区域面积大小也满足常用5G移动电子设备的测试；焦距为1.25波长(144mm)，整体结构剖面距离为2.34波长(270mm)，即拥有很低剖面，并且由于结构相较简单，可以极大地节省测试空间，适合用于追求效率的产线测试。
图2为整体超表面结构和单元结构示意图。如图2所示，图1中的结构1即为所设计超表面结构，该结构由29×29个单元，即结构6平面排布组成。单元结构6的结构由5层结构组成，包括：x极化接收层6-1、介质传输层6-4、极化旋转及相位控制层6-2、介质传输层6-5以及y极化发射层6-3，该五层结构可以实现宽带高透射率以及360°的透射相位覆盖，并且具有极化旋转功能。单元结构小，具有足够调节平面相位的分辨能力。
图3，4和5为此次超表面紧缩场准直器设计的设计流程。首先由图3可得，图2中的超表面1具有两部分：1-1和1-2(黑色加粗线)。在本申请中，1-1称为是调相超表面而1-2则是调幅超表面(两者具有相同尺寸厚度)，从字面意思可以得到这两种超表面具有不同的设计功效：调幅和调相。图3是这两种超表面在相同馈源相同焦距下相位分布对比图，同理图4是幅度对比图。在图3中，3是馈源，小圆圈代表不同位置：A1代表电磁波到达超表面结构最左侧处位置，B1代表电磁波到达超表面结构中心处位置，C1代表电磁波到达超表面结构最右侧处位置，D3是超表面上方某一参考面，A2代表D3最左侧位置，B2代表D3最中心位置，C2代表D3最右侧位置。A1B1C1所在黑色曲线代表着这三个位置之间的相位差，同理A2B2C2黑色曲线也代表他们之间的相位差，换言之，这两条黑线代表电磁波透射超表面结构之前和之后的相位分布(某一面)。图3中经过对比1-1和1-2可以看出，两个超表面结构对于透射过去的电磁波相位具有不同调控功能，在参考面D1，调相超表面会将相位球面波转换为相位平面波，而调幅超表面转换结果则可以为两部分——在D1面，中心区域是相位类球面波，其余区域是相位平面波。这是这两种超表面最主要的设计区别，通过引入不同的单元相位调节，可以改变不同透射相位，从而改变电磁波相位分布，而这样的影响会带来幅度的变化。如图4所示，A1B1C1和A2B2C2所在虚线代表电磁波透射超表面结构之前和之后的幅度分布(某一面)，在参考面D2处，可以看出调相超表面对于透射过去电磁波的幅度并没有明显的影响，而调幅超表面则在该参考面产生均匀幅度平面波。总结来说，调幅调相超表面通过不同的单元排布，实现不同的调控功能，并且各自能够单独完成调幅或者调相，而紧缩场对于静区需求是幅度和相位均匀分布，因此将两种超表面按照一定方法结合可以实现需求。如图5所示，将超表面结构1-1和1-2结合组成超表面结构。该结构设计过程为：馈源不变，修改焦距，通过联合设计结构1-1和1-2的单元相位分布，并以一定间距垂直摆放两个超表面，从而得到一个调幅调相超表面。图5为该调幅调相结构示意图，左半部分为电磁波相位分布，右半部分为电磁波幅度分布，可以看出，球面电磁波经过结构1后在参考面D3转变成幅度和相位均为平整均匀的平面波，因此实现紧缩场静区的生成。
图6为超表面紧缩场准直器1的测试图，3为馈源天线，7为接收天线，该接收天线可以进行机械移动，用于平面数据采样，来评估静区指标。图7和8为该静区的幅度和相位分布结果图，由图7可以看出在静区范围内，相位分布满足峰峰值不超过10°，由图8可以看出静区范围内幅度分布峰峰值不超过1dB，即符合紧缩场对于测试静区的指标需求。因此，本发明设计——基于透射型超材料的调幅调相紧缩场方案验证有效，并且指标符合规定，其具有小尺寸低剖面易安装等优势，适合于5G中Sub6G频段的快速高效测试，并可运用于商业测试产线中。
超表面准直器组成为调幅超表面1-2和调相超表面1-1，这两种设计思路基于透射型超材料的梯度相位分布方式。首先是调相超表面的设计，由于透射源天线是已知天线，可以得到焦距处天线的相位分布。由于超材料单元本身的离散化设计，可以将馈源天线在改平面的相位分布离散化，可以得到分布公式：
Figure GDA0003657634750000071
Figure GDA0003657634750000072
是平面中心处的相位，
Figure GDA0003657634750000073
是根据不同的x，y所得到单元相位差(由于离散设计，x，y为0,1,2…,14)。而调相超表面则是通过调节，将整个平面的离散相位都等于平面中心处相位：
Figure GDA0003657634750000074
Figure GDA0003657634750000075
为调相超表面的相位分布，而
Figure GDA0003657634750000076
则是通过得到调幅超表面的幅度静区处的相位分布，将其离散化得到的相位。
调幅超表面本质也是通过调节超表面单元的排布来改变透射波幅度分布，其相位分布是引入一个新的相位补偿公式：
Figure GDA0003657634750000081
Figure GDA0003657634750000082
为调幅超表面的相位分布，f为焦距，
Figure GDA0003657634750000083
为阈值角度范围内的透射超表面单元相位，设置阈值角度为40°。由上公式可得到通过引入新的的相位补偿，实现不同的透射分布，从而对透射波幅度进行调节，并且将得到的幅度静区相位来作为调相超表面的入射波，进而完成最终设计。
本次设计的紧缩场具体测试方式如附图6所示。由于本设计方案具有很低剖面，即可以极大缩短测试距离和测试空间，如图所示，从馈源天线到平面波静区，只有2.34波长，即可以实现产线化的测试。首先固定馈源天线3，在焦距处依次放置调幅超表面和调相超表面，则该紧缩场装置布置完成。之后，可以确定静区位置，将待测天线或者待测设备置于静区中心，由于静区内为平面波，对于待测天线或设备可以认为满足远场入射波条件，则可以进行相关的远场测试，例如方向图测试等。图1是最终设计的产线化测试构图，为了最大化本设计方案的优势，利用其节省测试空间的优势，引入传送带，保证快速测试的时间间隔，可以很快的完成传送产线的快速测试，提升测试的效率，而这些新的测试方式是常规反射面紧缩场所不能实现的。
综上所述，本申请提出一种基于透射型超材料的短焦距紧缩场的设计方案，并根据其特性，提出一种产线化的测试方案，实现全新的紧缩场测试手段。
常规的用于球面波转换平面波的超表面结构多是基于物理光学的射线追踪原理来设计，其本质上只改变透射电磁波相位，并未对电磁波的幅度进行任何调节措施，但是要运用到紧缩场设计，就不能简单的套用常规的方法，主要原因有：(1)光学射线追踪法采用的是点源透镜设计，将馈源等效为一个点，利用波程差计算相位差来控制调相超表面单元排布，为了保证点源设计，需要采用较大焦距，短焦距方案则无法适用；(2)光线追踪设计只是针对入射电磁波的相位进行调控，并未考虑电磁波的幅度，而紧缩场设计不只是要求静区相位平整，也需要保证静区幅度也在一定范围内平整，单纯只是将球面波相位变成平面波相位而幅度不平整是无法满足紧缩场静区指标需求的。因此，针对以上问题，采用了一种新的方法来进行超表面紧缩场方案设计。
首先，需要进行短焦距设计——必须保证焦距小于
Figure GDA0003657634750000091
即保证处于天线近场区(菲涅尔区)，而处于该焦距情况下，无法将馈源天线简单看作是点源。考虑到馈源天线和紧缩场准直仪设计的一体化，可以引入一个逆向思想，假设馈源天线焦距处垂直平面已有超表面结构，由于超表面本身的离散化设计，可以将该平面的相位分布也离散化，根据超表面单元尺寸分成等比单元区域，选择每一个单元区域中心处相位作为该单元的入射相位，由于馈源是已经设计存在的，可以通过仿真获得该平面的相位分布，即每一个单元区域中心处相位数据可以收集到，利用汇总相位数据作为紧缩场准直仪设计的入射相位。
其次，进行调幅和调相超表面设计。调相超表面是根据获得的离散化入射相位面，按照不同的相位采用不同的调相单元，使得出射波在传播到某一面时相位平整，并将该平面称为相位静区，由于该结构对于入射波的幅度影响很小，即调相超表面可以认为具有单独的调相功能。调幅超表面是在调相超表面基础上进行进一步设计，通过引入新的相位纠正，改变调相超表面的单元相位分布，使得出射波以一种非规则方式传播，并且在传播到某一面时幅度平整，将该平面称为幅度静区。调幅超表面对于入射波的相位影响很小，因而可以将调幅超表面认为是具有单独的调幅功能。
最终根据设计，将调幅超表面和调相超表面结合起来，先利用馈源天线在入射焦距平面处的离散单元相位，引入调幅超表面，产生一个幅度静区，并在该幅度静区引入调相超表面，所得到的调相超表面的调相静区即为超表面紧缩场的静区。该静区相位分布峰峰值满足小于±5°，幅度分布峰峰值满足小于±0.5dB，静区比例40％，即满足紧缩场静区的标准要求。

Claims (3)

1.一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场装置，其特征在于，包括测试产线机械转轴传送带(4)，所述测试产线机械转轴传送带(4)用于运行待测设备(5)，所述测试产线机械转轴传送带(4)上方沿传送方向设置有2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器(1)和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器(2)，所述有2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器(1)和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器(2)上分别放置有馈源天线(3)，所述馈源天线(3)发出的电磁波通过相应的超表面后在测试产线机械转轴传送带(4)固定区域产生静区平面波；
所述2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器(1)和3.5GHz频段的超表面紧缩场准直器(2)分别由29×29个单元结构(6)平面排布组成，所述单元结构(6)的结构由5层结构组成，包括x极化接收层(6-1)、介质传输层(6-4)、极化旋转及相位控制层(6-2)、介质传输层(6-5)以及y极化发射层(6-3)，所述x极化接收层(6-1)与极化旋转和相位控制层(6-2)之间设置介质传输层(6-4)，所述y极化发射层(6-3)和极化旋转及相位控制层(6-2)之间设置介质传输层(6-5)，五层结构用于实现宽带高透射率以及360°的透射相位覆盖，并且具有极化旋转功能；
所述超表面紧缩场准直器包括调相超表面(1-1)和调幅超表面(1-2)，调相超表面(1-1)和调幅超表面(1-2)分别由单元结构(6)组成，所述调相超表面(1-1)和调幅超表面(1-2)以一定间距垂直摆放；
所述调相超表面1-1中包括透射源天线，透射源天线即馈源天线(3)，是已知天线，得到焦距处天线的相位分布，将馈源天线(3)在该平面的相位分布离散化，得到分布公式：
Figure FDA0003657634740000021
Figure FDA0003657634740000022
是平面中心处的相位，
Figure FDA0003657634740000023
是根据不同的x，y所得到单元结构6相位差，由于离散设计，x，y为0,1,2…,14，而调相超表面1-1则是通过调节，将整个平面的离散相位都等于平面中心处相位：
Figure FDA0003657634740000024
Figure FDA0003657634740000025
为调相超表面1-1的相位分布，而
Figure FDA0003657634740000026
则是通过得到调幅超表面1-2的幅度静区处的相位分布，将其离散化得到的相位；
所述调幅超表面(1-2)通过调节超表面单元结构(6)的排布来改变透射波幅度分布，其相位分布是引入一个新的相位补偿公式：
Figure FDA0003657634740000027
Figure FDA0003657634740000028
为调幅超表面的相位分布，f为焦距，
Figure FDA0003657634740000029
为阈值角度范围内的透射超表面单元相位，设置阈值角度为40°。
2.根据权利要求1所述的一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场装置，其特征在于，所述2.6GHz频段的超表面紧缩场准直器1为500×500mm，静区占比40％，焦距为1.25波长，整体结构剖面距离为2.34波长。
3.基于权利要求1或2所述的一种基于透射超表面的新型短焦距调幅调相紧缩场装置的测试方法，包括以下步骤；
首先固定馈源天线(3)，在焦距处依次放置调幅超表面(1-2)和调相超表面(1-1)，则该紧缩场装置布置完成；
之后，确定静区位置，将待测天线或者待测设备置于静区中心，由于静区内为平面波，对于待测天线或设备认为满足远场入射波条件，则进行相关的远场测试。
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