毫米波反射式全息紧缩场理论与设计方法研究

High-performance antenna measurement range of millimeter wave is one of the key fundamental facilities. While for the large aperture millimeter wave antenna the measurement is challenged by the plane wave condition and the system link loss. The classical measurement facilities of far field, near field scanning and parabolic reflector compact antenna test range cannot be effectively utilized into the large aperture antenna at the millimeter wave band. Therefore, the novel method based on the new operation mechanism needs to be developed urgently in the domain of antenna measurement. Based on the wideband tuning theory of hologram compact range developed by the applicant, the reflection hologram compact range will be researched in this proposal. The multiple beams are reconstructed in the hologram, whose the undesired beams are suppressed and reutilized only by the pattern coding and backplane tuning, such that the desired ones are properly merged to achieve the high efficiency radiation in the wide band as expected. In this proposal method, no additional holograms are required. The wide band operation principle and design methodology developed by the proposal will lay down the basic foundation, effective design, and high precision manufacture and test for the large aperture millimeter wave systems in the future.

高性能毫米波天线测试场是毫米波系统研制的关键基础设备之一，然而大口径毫米波天线的测量目前却存在难以满足远场条件和系统链路损耗大的技术挑战，传统的直接远场、近场扫描或抛物面紧缩场都难以有效运用，探索毫米波天线测量的新理论和新技术成为天线测量领域亟需发展的重要课题。本项目以申请人提出的全息紧缩场静区重构的宽带调谐理论为基础，以反射式全息紧缩场为研究对象，研究全息重构出多个波束中抑制干扰波束的理论与方法，基于口径辐射的近轴相似性原理采用馈源调谐实现馈源波前与全息条纹的宽带匹配，通过口径条纹编码权重控制和背板调谐实现干扰抑制、静区质量改善和系统效率提升。本项目旨在揭示反射式全息紧缩场的宽带高效工作机理，进而提出通用设计方法，在不改变全息条纹结构的条件下，通过宽带调谐实现性能优良的毫米波静区，从而为未来大口径毫米波系统整机研制的天线测试场建设奠定理论基础，储备高效设计、高精度制造和测试等关键技术。

本项目对毫米波全息反射阵紧缩场做了全过程闭环研究，在物理机理、口径理论、计算设计、制造和应用5个层面上形成了较为完整的技术路线和研究方法。在机理层面，发现了反射阵全波模型中存在口径固有干扰分量会对静区性能会产生致命的影响，并揭示了其对静区的干扰机理以，提出了抑制反射阵口径干扰的解决方案。在方法层面，提出了仅相控口径场静区平面波快速优化算法（交集算法），为反射阵紧缩场口径的物理实现提供了理论基础。针对反射阵宽带应用受限的问题，提出了反射阵宽带实现原理。在设计与实现层面，研究了大口径多单元的反射阵快速化建模方法，并设计、制造、测试了口径为460mm*460mm，单元数目为92*92，静区为210mm，工作带宽为26.5GHz~29.5GHz的反射阵。其中以28GHz为中心频率，800MHz带宽的静区指标可与传统反射面典型的紧缩场指标需求相当。最后利用设计好的反射阵紧缩场对Ka波段的全息卡塞格伦天线的远场进行了测量，该远场测量结果与近场测量得到的远场方向图相当吻合。进一步验证了本项目设计的反射阵紧缩场的天线测试能力。.本项目相关研究成果还以专利、论文的形式授权或发表。项目执行期间，项目组参加了多次国内外学术会议；培养了8名硕士生毕业。本项目所取得的理论与实验成果，可为大口径毫米波系统研制与生产的天线测试场建设，在理论基础，高效设计、高精度制造和系统集成等方面形成关键储备。本项目的预期应用，可为未来毫米波移动通讯等特定应用场景的天线测试提供低成本解决方案。