撰稿|由课题组供稿
混响室是一个电大尺寸金属腔体，当通过不同的搅拌方法改变腔室的边界条件激发足够多的电磁模式时，电磁场表现出空间均匀、各向同性和随机极化的特征。混响室已被证明可以用来测量辐射效率、自由空间阻抗和分集增益等天线参数。然而由于多径效应，一般认为混响室不适合测量天线的辐射方向图。与微波暗室测量不同，混响室具有体积小、构建成本低和校准方便等显著优势，因此基于混响室的天线方向图测量方法研究具有重要研究意义和工程价值。最近，西安交通大学陈晓明教授课题组，针对实装天线测试中场地大小和测试成本受限的问题，提出了一种基于混响室测量的天线方向图重构方法[1]。该方法结合混响室测量理论和近场球面测量理论，只需幅度信息即可重构天线方向图，可用于电大尺寸有源实装天线的低成本等效全向辐射功率（equivalent isotropic radiated power, EIRP）测试。相关研究成果以“An Effective Method for Antenna Radiation Pattern Reconstruction Based on Phaseless Measurement in a Reverberation Chamber”为题发表在《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》期刊上[1]。
随着智能家电和物联网设备的快速发展，迫切需要针对电大尺寸实装天线的低成本测试方案。与微波暗室测试相比，混响室是一种不需要满足远场条件的低成本替代方案[2]。文献[3]提出了一种利用方位角和仰角域中的反卷积特性计算混响室内的辐射方向图的脉冲响应方法，但该方法只适用于宽带天线。当视线（line-of-sight, LoS）响应分量占据主导时，可以通过使用K因子[4]或多普勒频移[5]来直接测量混响室中的方向图，该方法可以在去除非视线（none-LoS, NLoS）分量的同时提取隐藏在LoS响应中的信息。由于混响室中的电磁波被搅动形成多径衰落，因此要在每个旋转角度准确提取LoS分量并非易事。更重要的是，以上方法均只适用于无源天线的测量，且测量系统需同时获得幅度和相位信息。然而在有源天线测量中，往往缺失相位信息，上述基于混响室的方法均不可行。
针对以上问题，本研究提出了一种用于混响室中无相位测量的天线方向图重构方法。所提出的方法利用了混响室的散射特征，而不是基于 LOS 分量提取的方法。如图1所示，首先将待测天线（antenna under test, AUT）置于混响室的转台上，控制AUT在不同方向进行旋转，采集AUT端口每一次旋转时接收到的幅值信号，利用天线在不同位置接收到的幅值信号计算AUT的功率相关系数。然后根据混响室中天线端口的功率相关系数和复数相关系数值的平方基本相等的关系计算天线的复数相关系数。进一步地，基于球面波展开（spherical wave expansion, SWE）理论计算AUT的旋转矩阵，将所述AUT的自相关系数表示为旋转矩阵和球面波展开系数的非线性组合形式。根据复数相关系数、自相关系数与远场方向图之间的关系，采用非线性最小二乘方法反推球面波展开系数（SWE coefficients, SWECs），最终使用获得的SWECs重构天线辐射方向图。为了验证所提出的方案的可行性和适用性，对一个工作在2.6 GHz的阵列天线进行测试。如图2所示，混响室尺寸为1.50 m×1.44 m×0.92 m，通过沿x轴、y轴和z轴顺序旋转天线，获得待测天线端口的无相信号和功率相关系数，然后将方向图重建过程应用于混响室测量结果。需要注意的是，在采样过程中，我们假设天线旋转对测试环境的扰动很小。如图3所示，将待测天线置于尺寸为5 m×5 m×5 m的多探头球面近场暗室测试系统中测量，其测量结果作为对比参考方向图。图4分别显示了待测天线在XOZ和YOZ平面的方向图比较结果，具有良好的一致性。该实验结果验证了所提方法的有效性。
创新点：
1)本研究方法解决了有源设备测试中无法通过幅值信息计算方向图的问题，开启了在混响室中进行EIRP 测试的可能性。
2)考虑到混响室相对于微波暗室的低成本和小尺寸（混响室体积是暗室的几十分之一，建造成本也接近它的十分之一），所提出的方法对于物联网设备中更关注主瓣的测试非常有用。
3)该方法采用球面波模式展开法和待测天线的旋转信息反推球面波展开系数重构天线三维方向图，有效降低采样时间和成本。
图1 混响室中天线测试示意图
图2 混响室实际测试图
图3 球面近场多探头暗室实际测试图
图4 待测天线暗室和混响室测量结果对比。XOZ平面(上）， YOZ平面（下）。
[1]F. Peng, X. Liu, J. Zheng, R. Chen, S. Zhu, and X. Chen, “An effective method for antenna radiation pattern reconstruction based on phaseless measurement in a reverberation chamber,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, in press.
[2]X. Chen, “On near-field and far-field correlations in reverberation chambers,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 29, no. 1, pp. 74-76, Jan. 2019.
[3]A. Cozza and A. Abou el-Aileh, “Accurate radiation-pattern measurements in a time-reversal electromagnetic chamber,” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 52, no. 2, pp. 186-193, Apr. 2010.
[4]V. Fiumara, A. Fusco, V. Matta, and I. M. Pinto, “Free-space antenna field/pattern retrieval in reverberation environments,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 4, no. 1, pp. 329-332, Sep. 2005.
[5]M. García-Fernández, D. Carsenat, and C. Decroze, “Antenna gain and radiation pattern measurements in reverberation chamber using Doppler effect,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 10, pp. 5389-5394, Oct. 2014.
