相控陣天線測試的“鷹眼”
----平面近場測試系統
相控陣天線測試的特性
隨著科學技術的發展，毫米波相控陣天線被人們廣泛的應用之后,相控陣天線的測試也成為了人們關注的問題,各種各樣的天線也是層出不窮,這對相控陣天線的測試要求也漸漸的增大,相控陣天線的分析和設計也是離不開相控陣天線的測試,為了能夠詳細的了解相控陣天線的各方面的參數性能,對相控陣天線的精確測試就顯得非常重要,相控陣天線的測試有如下特性：
1
測試指標多：需要測試波束寬度、第一副瓣抑制度、波束指向、零深、EIRP值、G/T值等；
2
測試任務多：需要測試不同掃描面、和差通道的多頻點多波位方向圖；
3
測試數據量大：每套相控陣天線全指標測試后都有龐大的數據，對海量的數據進行處理、分析、評估和顯示等是十分耗時耗力的；
4
待測天線集成度高：相控陣天線是由天線陣面與射頻電路、信號控制系統、電源電路等高度集成而成，測試時控制復雜；
5
測試要求高：測試過程中對反射、對位精度、校準誤差、掃描域、機械臂或轉臺精度、儀器穩定性等有較高要求。
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試與分析，對保證天線品質，滿足海量的天線通道測試需求至關重要。
相控陣天線測試場的選擇
根據使用場景及源到待測天線的距離，相控陣天線測試可分為近場測試、遠場測試、反射場測試、緊縮場測試等方式。在實際設計和建設中，如何選擇相控陣天線測試場，需要考慮到的幾個重要的特性和指標如下：
天線應用領域；
遠場角度范圍：遠場波瓣圖坐標系、各種天線性能參數定義、副瓣特性；
電尺寸：根據電尺寸和計算出遠場距離；
方向性指標：掃描范圍；
工作頻率和帶寬：工作頻率設計到吸波材料尺寸和暗室工程設計及造價；
環境和安全性要求：天氣、地表環境等因素；
其他因素：成本、轉臺、通道切換開關等。
根據各種測試場的建設與使用實踐，其指標對比如下表所示。
相控陣天線測試場指標對比表
平面近場測試的優點
由上表可知，從各測試場的綜合對比來看，若要高精、快速、大批量、低成本的完成相控陣天線的性能測試與分析，平面近場在實際的相控陣天線測試中，具有最好的可建設性。此外，平面近場測試還有如下優點：
測試精度高，尤其在高頻毫米波領域；
測試環境好，靜區質量高；
自動化程度高，可實現智能測試、診斷；
場地利用率高；
建設周期短，成本低；
支持三維方向圖測試，波瓣數據全；
測試效率高，支持同時多頻點多波位測試；
數據處理速度快，可在線數據處理，方便問題排查；
因此，平面近場可作為相控陣天線測試場的選擇。平面近場測試系統的基本原理為：利用天線的近場區幅相分布和遠場區幅相分布成數學傅里葉變換關系的原理，通過使用一個特性已知的探頭，在離開待測天線幾個波長（近場區）的某一表面進行掃描，再利用高精度數據采樣模塊和矢量網絡分析儀實現在天線近場區的幅度相位采集，通過對采集的幅相和位置數據進行傅里葉變換，獲得被測天線的遠場區分布，從而實現對天線的輻射參數，如方向圖、增益、極化特性等的分析。
近場測試系統適合測試增益較大（＞15dBi）的定向天線、陣列天線等。在增益、副瓣、低副瓣、軸比、零深測試有比遠場更優秀的測試性能。
平面近場測試掃描示意圖
相控陣天線平面近場測試系統的研制歷程
從2017年建立第一個微波暗室至今,成都瑞迪威科技有限公司（下文簡稱瑞迪威）共建立了12個微波暗室(現新場地擁有9個微波暗室)、3代毫米波平面近場測試暗箱、2個平面近場測試暗室，在遠場測試系統和平面近場測試系統的設計和建設上均有較好的理論及實踐經驗。在此過程中，瑞迪威成立了“成都瑞迪威科技有限公司技術測試中心”，并于2022年，取得CNAS認證及資質。
瑞迪威微波暗室一角
為了高精、快速診斷、分析及測試相控陣天線的性能指標，降低成本，提高產能，成都瑞迪威科技有限公司近年來一直致力于相控陣天線測試的專研，特別是平面近場測試系統的研制與優化。
誕生：第一代平面近場測試系統
2018年，瑞迪威自主研發了第一代平面近場測試系統，該系統尺寸為1.9m（長）*1.9m（寬）*2.1m（高）,機械臂的水平掃描范圍為500mm*500mm,Z軸行程300mm,重復定位精度為±0.02mm。該系統能滿足12GHz-40GHz小口徑相控陣天線的近場校準和診斷，以及三維方向圖測試。在研發階段，能很好的對天線的性能進行驗證和測試。
瑞迪威第一代平面近場測試系統內部圖
但是在使用該代平面近場測試系統的過程中，我們也發現了一些該代系統的局限性：
機械臂掃描范圍只有500mm*500mm，更大尺寸的相控陣天線無法滿足測試需求；
在待測天線和探頭的調平和對位上，需要測試人員參與，這個過程效率較低，不利于批量化的相控陣天線校準和測試。
因此，為更高效地測試批量化及更大尺寸的天線，我們開始升級平面近場測試系統。
成長：第二代平面近場測試系統
在2020年，瑞迪威開發了第二代平面近場測試系統，該系統測試頻率范圍升級為8GHz-40GHz，機械臂的水平掃描范圍為800mm*800mm/1100mm*720mm,Z軸行程400mm,水平方向重復定位精度為±0.05mm，垂直方向重復定位精度為±0.02mm。該代平面近場測試系統增加視覺系統、集成圖像處理和自動對位算法，可自動完成待測天線與探頭的對位，無需人為調平，測試效率高；此外，還優化了自動進出料平臺，使系統負載達到150kg，可滿足較大較重的相控陣天線測試。
瑞迪威第二代平面近場測試系統
隨著我們深入使用該代平面近場測試系統，我們發現該代測試系統能滿足我們相控陣天線的研發和批量生產的診斷、性能測試等，但是離我們理想的明星產品，還有一點差距，主要體現在以下兩個方面：
受SCARA機械臂的臂長限制，無法進行測試系統掃描范圍的擴展。若要測試更大尺寸的天線，需要使用自重更大、成本更高、工作空間更大的六軸機器人，這會使整個系統的占地更大，對使用場地的要求更高。
該代平面近場測試系統尺寸為2.6m（長）*2.6m（寬）*2.8m（高），重量達到1018kg,對使用場地的承載及空間均有一定要求，在搬運及安裝時也有許多不便。
于是，為了更高效地擴展和移植測試系統、滿足平面近場測試系統“上樓入戶”的目標，我們再次升級了平面近場測試系統。
標準：第三代平面近場測試系統
在2022年，瑞迪威設計開發了第三代平面近場測試系統，該系統為瑞迪威的標準平面近場測試系統。該代平面近場測試系統在第二代系統的基礎上增加掃描范圍到1000mm*1000mm，同時，變革力學設計，經過結構仿真與論證，將該代測試系統的尺寸縮小到了1.8m（長）*1.7m（寬）*1.8m，重量縮小到400kg,該代測試系統采用標準化和模塊化設計，拆卸和組裝便捷，可輕松進入電梯，也可根據產品的尺寸縮放箱體，整個系統的擴展和移植性強。
此外，再次優化了進出料平臺，使平臺負載達到200kg，且進出料效率更高，可滿足更大、更重的相控陣天線測試。
瑞迪威第三代平面近場測試系統
升級：平面近場測試暗室
為了滿足更大尺寸相控陣天線的測試需求，瑞迪威自主開發了兩套平面近場測試暗室，該暗室測試頻率范圍覆蓋X波段以上，可測試最大口徑2.5m，可同時多通道、多頻點、多波位自動測試，具備通道診斷、快速指標測試功能。
瑞迪威平面近場測試暗室
瑞迪威的平面近場測試系統經過三輪迭代及算法更新，已十分穩定。目前，最新的平面近場測試系統已具備一鍵高精、快速、自動的測試功能，無需測試人員手動裝夾及調整產品，自動化程度高，為即將建設的智能測試工廠打下堅實基礎。
智能測試工廠產品傳送部分(供參考)
關鍵技術特點
近場測試系統技術優勢
1
理論嚴格
包含探頭特性的全部數據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,標量繞射等近似解；
2
精度高
消除了遠場測量的近距效應,各種誤差源可以檢測并補償,信噪比高,重復性好；
3
信息量大
一次掃描可獲得整個空間全部信息,如幅度、相位、極化、三維方向圖等；
4
診斷功能強
通過重建口徑場,可以發現常規遠場測量難以發現的故障，對相控陣天線，通過診斷測試對AUT口徑面存在的失效、超差、誤碼等進行識別、標定，為更換器件修正通道誤差提供依據。
瑞迪威平面近場測試系統技術特點
1
高精自動對位技術
采用高精視覺系統及前沿圖像處理算法，自動完成天線陣面的對位與測試，工作效率高；
視覺系統對位過程
2
校正算法完備
集診斷、測試于一體，一鍵自動化測試,功能齊全；
天線通道診斷
3
校正算法完備
集成鏈路校準、誤差補償、波動修正等多種校正和處理算法，產品適應性強；
近場測試系統校正
4
通用性強
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
配置靈活，可根據需求定制縮放平臺。
平面近場測試系統
瑞迪威平面近場測試系統功能
平面近場測試系統基于快速傅里葉變換，將相控陣天線口徑場、近場、遠場之間電磁矢量空間分布特性進行快速轉換，能夠高效系統地完成天線測量、故障診斷、實時監測等功能。平面近場測試系統的組成框圖如下所示。
平面近場測試系統的框圖
瑞迪威平面近場測試系統主要有以下功能:
具備通道校準功能；
可用于多種類型天線的測試、調試、問題診斷和檢驗；
具備口面場、近遠場變換反演功能；
具備多通道、多頻點、多波位測試功能；
具備天線遠場測試功能；
具備天線增益測試功能；
可測試天線極化特性；
可測試天線G/T、EIRP；
可計算天線相位中心；
支持脈沖體制相控陣和DBF體制相控陣測試；
支持變頻測試；
支持自動完成天線陣面的對位與測試；
具有數據自動采集、整理、分析、輸出的功能。
相控陣天線測試過程
平面近場測試系統具有體積小、易部署、速度快、成本低等特點，在建設場地小、建設預算不高的相控陣天線研發及批量測試中，均可選擇平面近場測試系統作為相控陣天線測試平臺。
