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相控阵天线平面近场测试系统

作者：admin 发表时间：2022-11-04 访问数：

相控阵天线测试的“鹰眼”

----平面近场测试系统

相控阵天线测试的特性

随着科学技术的发展，毫米波相控阵天线被人们广泛的应用之后,相控阵天线的测试也成为了人们关注的问题,各种各样的天线也是层出不穷,这对相控阵天线的测试要求也渐渐的增大,相控阵天线的分析和设计也是离不开相控阵天线的测试,为了能够详细的了解相控阵天线的各方面的参数性能,对相控阵天线的精确测试就显得非常重要,相控阵天线的测试有如下特性：

测试指标多：需要测试波束宽度、第一副瓣抑制度、波束指向、零深、EIRP值、G/T值等；

测试任务多：需要测试不同扫描面、和差通道的多频点多波位方向图；

测试数据量大：每套相控阵天线全指标测试后都有庞大的数据，对海量的数据进行处理、分析、评估和显示等是十分耗时耗力的；

待测天线集成度高：相控阵天线是由天线阵面与射频电路、信号控制系统、电源电路等高度集成而成，测试时控制复杂；

测试要求高：测试过程中对反射、对位精度、校准误差、扫描域、机械臂或转台精度、仪器稳定性等有较高要求。

因此，如何高精、快速、大批量、低成本的完成相控阵天线的性能测试与分析，对保证天线品质，满足海量的天线通道测试需求至关重要。

相控阵天线测试场的选择

根据使用场景及源到待测天线的距离，相控阵天线测试可分为近场测试、远场测试、反射场测试、紧缩场测试等方式。在实际设计和建设中，如何选择相控阵天线测试场，需要考虑到的几个重要的特性和指标如下：

天线应用领域；

远场角度范围：远场波瓣图坐标系、各种天线性能参数定义、副瓣特性；

电尺寸：根据电尺寸和计算出远场距离；

方向性指标：扫描范围；

工作频率和带宽：工作频率设计到吸波材料尺寸和暗室工程设计及造价；

环境和安全性要求：天气、地表环境等因素；

其他因素：成本、转台、通道切换开关等。

根据各种测试场的建设与使用实践，其指标对比如下表所示。

相控阵天线测试场指标对比表

平面近场测试的优点

由上表可知，从各测试场的综合对比来看，若要高精、快速、大批量、低成本的完成相控阵天线的性能测试与分析，平面近场在实际的相控阵天线测试中，具有最好的可建设性。此外，平面近场测试还有如下优点：

测试精度高，尤其在高频毫米波领域；

测试环境好，静区质量高；

自动化程度高，可实现智能测试、诊断；

场地利用率高；

建设周期短，成本低；

支持三维方向图测试，波瓣数据全；

测试效率高，支持同时多频点多波位测试；

数据处理速度快，可在线数据处理，方便问题排查；

因此，平面近场可作为相控阵天线测试场的选择。平面近场测试系统的基本原理为：利用天线的近场区幅相分布和远场区幅相分布成数学傅里叶变换关系的原理，通过使用一个特性已知的探头，在离开待测天线几个波长（近场区）的某一表面进行扫描，再利用高精度数据采样模块和矢量网络分析仪实现在天线近场区的幅度相位采集，通过对采集的幅相和位置数据进行傅里叶变换，获得被测天线的远场区分布，从而实现对天线的辐射参数，如方向图、增益、极化特性等的分析。

近场测试系统适合测试增益较大（＞15dBi）的定向天线、阵列天线等。在增益、副瓣、低副瓣、轴比、零深测试有比远场更优秀的测试性能。

平面近场测试扫描示意图

相控阵天线平面近场测试系统的研制历程

从2017年建立第一个微波暗室至今,成都C7娱乐（中国）科技有限公司科技有限公司（下文简称C7娱乐（中国）科技有限公司）共建立了12个微波暗室(现新场地拥有9个微波暗室)、3代毫米波平面近场测试暗箱、2个平面近场测试暗室，在远场测试系统和平面近场测试系统的设计和建设上均有较好的理论及实践经验。在此过程中，C7娱乐（中国）科技有限公司成立了“成都C7娱乐（中国）科技有限公司科技有限公司技术测试中心”，并于2022年，取得CNAS认证及资质。

C7娱乐（中国）科技有限公司微波暗室一角

为了高精、快速诊断、分析及测试相控阵天线的性能指标，降低成本，提高产能，成都C7娱乐（中国）科技有限公司科技有限公司近年来一直致力于相控阵天线测试的专研，特别是平面近场测试系统的研制与优化。

诞生：第一代平面近场测试系统

2018年，C7娱乐（中国）科技有限公司自主研发了第一代平面近场测试系统，该系统尺寸为1.9m（长）*1.9m（宽）*2.1m（高）,机械臂的水平扫描范围为500mm*500mm,Z轴行程300mm,重复定位精度为±0.02mm。该系统能满足12GHz-40GHz小口径相控阵天线的近场校准和诊断，以及三维方向图测试。在研发阶段，能很好的对天线的性能进行验证和测试。

C7娱乐（中国）科技有限公司第一代平面近场测试系统内部图

但是在使用该代平面近场测试系统的过程中，我们也发现了一些该代系统的局限性：

机械臂扫描范围只有500mm*500mm，更大尺寸的相控阵天线无法满足测试需求；

在待测天线和探头的调平和对位上，需要测试人员参与，这个过程效率较低，不利于批量化的相控阵天线校准和测试。

因此，为更高效地测试批量化及更大尺寸的天线，我们开始升级平面近场测试系统。

成长：第二代平面近场测试系统

在2020年，C7娱乐（中国）科技有限公司开发了第二代平面近场测试系统，该系统测试频率范围升级为8GHz-40GHz，机械臂的水平扫描范围为800mm*800mm/1100mm*720mm,Z轴行程400mm,水平方向重复定位精度为±0.05mm，垂直方向重复定位精度为±0.02mm。该代平面近场测试系统增加视觉系统、集成图像处理和自动对位算法，可自动完成待测天线与探头的对位，无需人为调平，测试效率高；此外，还优化了自动进出料平台，使系统负载达到150kg，可满足较大较重的相控阵天线测试。

C7娱乐（中国）科技有限公司第二代平面近场测试系统

随着我们深入使用该代平面近场测试系统，我们发现该代测试系统能满足我们相控阵天线的研发和批量生产的诊断、性能测试等，但是离我们理想的明星产品，还有一点差距，主要体现在以下两个方面：

受SCARA机械臂的臂长限制，无法进行测试系统扫描范围的扩展。若要测试更大尺寸的天线，需要使用自重更大、成本更高、工作空间更大的六轴机器人，这会使整个系统的占地更大，对使用场地的要求更高。

该代平面近场测试系统尺寸为2.6m（长）*2.6m（宽）*2.8m（高），重量达到1018kg,对使用场地的承载及空间均有一定要求，在搬运及安装时也有许多不便。

于是，为了更高效地扩展和移植测试系统、满足平面近场测试系统“上楼入户”的目标，我们再次升级了平面近场测试系统。

标准：第三代平面近场测试系统

在2022年，C7娱乐（中国）科技有限公司设计开发了第三代平面近场测试系统，该系统为C7娱乐（中国）科技有限公司的标准平面近场测试系统。该代平面近场测试系统在第二代系统的基础上增加扫描范围到1000mm*1000mm，同时，变革力学设计，经过结构仿真与论证，将该代测试系统的尺寸缩小到了1.8m（长）*1.7m（宽）*1.8m，重量缩小到400kg,该代测试系统采用标准化和模块化设计，拆卸和组装便捷，可轻松进入电梯，也可根据产品的尺寸缩放箱体，整个系统的扩展和移植性强。

此外，再次优化了进出料平台，使平台负载达到200kg，且进出料效率更高，可满足更大、更重的相控阵天线测试。