一种基于超材料透镜的平面波生成装置、方法和测试系统与流程

1.本技术涉及无线通信测量技术领域，尤其涉及一种基于超材料透镜的平面波生成装置、平面波生成方法、平面波生成装置优化方法和测试系统。


背景技术：

2.新一代5g(第五代)移动技术需要在有限的频段内实现更高的频谱效率，3gpp(第三代伙伴计划)讨论并引入了massive(大规模)mimo(多输入多输出)技术及向毫米波的工作频段扩展，以提升小区容量和用户体验速率。在4g及之前的基站、终端设备的射频单元测试，多采用射频线缆直接连接的传导方式进行。但由于5g设备射频单元与天线的连接更紧密，所以传统传导测试方式无法直接用于5g测试，在3gpp的ts 38.141-2和ts 38.521-2就分别对5g基站和终端定义了射频空口的测试方法和指标要求，可以通过远场、紧缩场等测试方法，得到被测件的方向图、增益、测试发射功率、接收灵敏度等指标。在直接远场中，被测基站设备与测试探头的测试距离较远，测试方式是采用馈源发出电磁波，使得处于电磁波辐射范围内的物体将电磁波反射，物体反射的电磁波被发出电磁波的馈源接收后通过处理器的分析，即可测试出物体对电磁波的反射效果。由于馈源发射出的电磁波是弧形的，以至于现时的测试方式是将被测物体放置在距离馈源约40m至50m处，距离馈源越远的弧形电磁波由于不断放大，这样使得电磁波与被测物体接触的部分可被看作是一个平面，用这种测试方式对被测物体的电磁波反射效果进行测试虽然也能接近实际测试的效果，但需要被测物体与馈源相距较远，测试时需要较大的场地才能实现，其暗室和测试系统也造价昂贵。在紧缩场中，使用高精度反射面，通过反射面的对电磁波的反射实现准平面波效果。紧缩场反射面对形变要求高，场地要求恒温恒湿，反射面价格昂贵，维护要求高。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种基于超材料透镜的平面波生成装置、方法和测试系统，解决了现有技术生成平面波馈源距离远的问题，能够在较近的距离和较低的成本下，将球面电磁波调整达到平面波的效果，实现远场和紧缩场的测试能力。
4.本技术实施例还提供一种基于超材料透镜的平面波生成装置，包含至少一个超材料透镜；
5.所述超材料透镜包含介质基板和位于其上的多个金属单元，将来自超材料透镜焦点并辐射到所述穿超材料透镜的电磁波调整为平面波，多个所述金属单元形成金属阵列。
6.进一步地，所述金属阵列排列在介质基板平面上。
7.优选地，所述介质基板为pcb材料。
8.优选地，所述金属单元结构为圆形或十字形。
9.优选地，所述超材料透镜平面为1层。
10.进一步地，所述超材料透镜为平面多层，按照设定的距离平行排列。
11.进一步地，金属阵列中金属单元的排布方式为均匀排布，各金属单元之间行间距
和列间距相同。
12.进一步地，金属阵列中金属单元的排布方式为非均匀排布。
13.本技术实施例还提供一种超材料透镜测试系统，包括超材料透镜、馈源、载物转台、测试仪表和控制系统，载物转台、测试仪表均和控制系统相连，测试仪表链接馈源，
14.所述载物转台用于搭载被测设备，用于调整被测设备到达被测方向或者角度；
15.所述测试仪表用于对无线信号进行测量分析；
16.所述控制系统，用于控制所述载物转台带动被测设备，控制所述测试仪表进行无线信号采集，并将所述载物转台的位置信息和所述测试仪表的无线信号进行分析和判定；
17.使用上述超材料透镜的平面波生成装置。
18.本技术实施例还提供一种基于超材料透镜系统的测试方法，使用上述超材料透镜测试系统，包含以下步骤：
19.控制载物转台搭载被测设备按照预设方式旋转或移动；
20.通过馈源和超材料透镜阵列向被测设备发送信号，并接收被测设备发送的信号；
21.馈源处接收到的信号输出到测试仪表。
22.本技术实施例还提供一种超材料透镜测试系统，包括超材料透镜阵列、馈源、载物转台、测试仪表和控制系统，载物转台、测试仪表均和控制系统相连，测试仪表链接馈源，所述载物转台用于搭载被测设备，用于调整被测设备到达被测方向或者角度；所述测试仪表用于对无线信号进行测量分析；所述控制系统，用于控制所述载物转台带动被测设备，控制所述测试仪表进行无线信号采集，并将所述载物转台的位置信息和所述测试仪表的无线信号进行分析和判定；使用上述超材料透镜的平面波生成装置。
23.本技术实施例还提出一种平面波生成方法，使用所述超材料透镜或所述超材料透镜阵列。
24.本技术实施例还提出一种基于超材料透镜的平面波生成装置的优化方法，测试平面上的电磁波不是平面波，此时调整所述超材料透镜或超材料透镜阵列的结构或参数，直到所述测试平面上的电磁波为平面波。
25.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
26.馈源距离被测基站设备距离近，测试方便，对场地要求低，价格便宜维护要求低。一方面，基于超材料的平面波发生器的测试系统应用于无线通信射频空口测试可在较近的距离生成满足测试要求的平面波，实现远场和紧缩场的测试能力；另一方面，基于超材料的平面波发生器的测试系统应用于无线通信射频空口测试，可显著减少路径损耗，提高测试系统动态范围，降低建造成本。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明的测试系统透射式布置示意图；
29.图2为本发明的测试系统反射式布置示意图；
30.图3为本发明的超材料透镜阵列的实现原理示意图；
31.图4为本发明的超材料透镜阵列的材料组成示意图；
32.图5为本发明的超材料透镜阵列采用均匀排布的结构图；
33.图6为本发明的超材料透镜阵列采用非均匀排布的结构图；
34.图7为本发明的超材料透镜阵列单元采用圆形结构的结构图；
35.图8为本发明的超材料透镜阵列单元采用十字形结构的结构图；
36.图9为本发明的超材料透镜阵列1层结构的结构图；
37.图10为本发明的超材料透镜阵列2层结构的结构图；
38.图11为本发明的超材料透镜阵列3层结构的结构图；
39.图12为一种超材料透镜测试系统的示意图；
40.图13为一种基于超材料透镜系统的测试方法流程图。
具体实施方式
41.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
43.一种基于超材料透镜的平面波生成装置，包含馈源1、超材料透镜2；
44.所述超材料透镜包含介质基板和金属单元，所述馈源位于超材料透镜焦点，所述金属单元对馈源发射的电磁波进行幅度和相位调节，将穿超材料透镜的电磁波调整为平面波，多个所述金属单元形成金属阵列，所述金属阵列中不同位置的金属单元根据距离馈源焦点的相位差提供相位补偿。
45.图1为本发明的测试系统透射式布置示意图；
46.本实施例所述馈源发射信号，产生球面电磁波，电磁波经过超材料透镜透射形成平面波。
47.图2为本发明的测试系统反射式布置示意图；
48.本实施例的所述馈源发射信号，产生球面电磁波，电磁波经过超材料透镜反射形成平面波。
49.馈源，主要是用来辐射信号，并配合超材料透镜产生平面波，可以接收超材料透镜透射或者反射的无线信号，或者发射无线信号给超材料透镜。
50.本实施例的馈源包含至少1支馈源，馈源布置在焦点位置，馈源发射信号，产生球面电磁波，电磁波经过超材料透镜2透射或者反射，形成平面波。
51.图3为本发明的超材料透镜阵列的实现原理示意图。
52.优选地，所述馈源位于超材料透镜焦点，多个所述金属单元形成金属阵列，所述金属阵列中不同位置的金属单元根据距离馈源焦点的相位差提供相位补偿。
53.进一步地，所述金属阵列排列在同一个介质基板平面上，同一个介质基板平面上不同位置的金属单元根据距离焦点的相位差提供相位补偿，使焦点上的馈源发射的电磁波照射在超材料透镜的不同位置均可以获得平面波。
54.本实施例包含至少1支馈源，馈源布置在焦点位置，焦点馈源是利用电磁波由焦点经过超材料透镜阵列透射或者反射后，在天线口面的光程相等，并且产生平面波。馈源一般
采用3db带宽比较宽的天线，为覆盖5g移动通信规定的工作频率，极化方式包括单线极化、双线极化、或者圆极化。
55.将馈源1系统放置于透镜焦点f，超材料透镜2位于xoy平面，平面透镜上的i点到馈源焦点f的相位差：
[0056][0057]
其中，为两点之间的距离，λ0为自由空间电磁波长，f为焦距。为了保证穿过透镜后所有电磁波射线相位一致，那么平面透镜i点所提供的相位补偿应为：
[0058][0059]
计算得出各点透镜所需提供相位分布后，在各点放置具有相应相位响应的相移单元完成所需的相位偏移即可实现球面波至平面波的转换。由公式2可知，不同位置i对于相位的改变需求并不一样，相移能力的大小由超材料透镜的结构和层数决定。
[0060]
图4为本发明的超材料透镜阵列的材料组成示意图；
[0061]
超材料透镜一般是由介质基板4和金属单元3组成，介质基板一般采用包含但不限于pcb材料，金属单元一般采用包含但不限于铜、钼、金等金属材质，介质基板和金属单元采用何种材质这里不做进一步限定。
[0062]
由金属单元在介质基板上组成金属阵列结构是实现幅度和相位调节的核心，金属单元的排布方式包括各阵列之间的间隔相同的均匀排布，和各阵列之间的间隔不相同的非均匀排布，采用均匀排布和非均匀排布对不同位置i处的幅度和相位的调节能力不同，已达到球面波到平面波的转换。
[0063]
图5为本发明的超材料透镜阵列采用均匀排布的结构图。
[0064]
例如，金属阵列均匀排布时，各阵列之间的行间隔和列间隔均为d。
[0065]
图6为本发明的超材料透镜阵列采用非均匀排布的结构图。
[0066]
金属阵列非均匀排布时，可以是金属阵列中行与行之间、列与列之间的距离各不相同；也可以金属阵列中行与行之间距离相同，列与列之间从两边向中间逐渐变宽或者从两边向中间逐渐变窄，还可以金属阵列中列与列之间距离相同，行与行之间从两边向中间逐渐变宽或者从两边向中间逐渐变窄这里不做进一步限定。
[0067]
图7为本发明的超材料透镜阵列单元采用圆形结构的结构图。
[0068]
优选地，所述金属单元结构为圆形。
[0069]
图8为本发明的超材料透镜阵列单元采用十字形结构的结构图。
[0070]
优选地，所述金属单元结构为十字形。
[0071]
金属单元的结构形式包括但不限于如图7所示的圆形结构和如图8所示的十字形等结构。
[0072]
所述金属单元的结构可以为圆形、十字形，也可以是其他形状，这里不做进一步限定。
[0073]
图9-11分别为本发明的超材料透镜阵列1-3层结构的结构图
[0074]
所述超材料透镜可以为1层；进一步地，所述超材料透镜为多层。
[0075]
金属单元的形状对于不同位置i处的幅度和相位的调节能力不同。通过调节金属
单元的排布方式和结构形式，实现对馈源球面波的精准控制。但是单层超材料透镜相位的调节能力一般小于100
°
，超材料阵列的层数包含但不限于1层结构或多层结构，采用多层超材料透镜实现最大360
°
的相位调节，以达一定静区范围内平面波的效果。
[0076]
超材料透镜和馈源系统在指定的静区内形成符合测试要求的平面波，并在测试时，接收和发射信号。同时，超材料阵列和馈源系统适配射频链路、载物转台和仪表，进行无线通信设备空间辐射和接收特性的天线的射频指标的测量。
[0077]
因此，基于以上超材料透镜，本技术提出了一种基于超材料透镜产生平面波的方法，该方法可以用于基站、终端、芯片等的射频性能指标测试。
[0078]
图12为另一件实施例一种超材料透镜测试系统的示意图。
[0079]
本技术实施例还提供一种超材料透镜测试系统，包括超材料透镜阵列2、馈源1、载物转台5、测试仪表7和控制系统6；
[0080]
超材料透镜阵列，用于接收被测设备发射的无线信号，并将测试信号透射输出到馈源系统，或接收馈源系统的信号透射至载物转台上的被测设备处；
[0081]
馈源系统，用于接收超材料透镜阵列透射的无线信号，同时将无线信号输出到测试仪表；超材料透镜阵列和馈源系统配合产生平面波；
[0082]
所述载物转台用于搭载被测设备，用于调整被测设备到达被测方向或者角度；
[0083]
所述仪表包括但不限于无线信号综合测试仪、信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪和功率计，用于对无线信号进行测量分析，所述仪表为若干台仪器，这里不做进一步限定。
[0084]
所述控制系统，用于控制所述载物转台带动被测设备，控制所述测试仪表进行无线信号采集，并将所述载物转台的位置信息和所述测试仪表的无线信号进行分析和判定。
[0085]
本系统使用上述超材料透镜的平面波生成装置。
[0086]
图13为一种基于超材料透镜系统的测试方法流程图。
[0087]
本技术实施例还提供一种基于超材料透镜系统的测试方法，使用上述超材料透镜测试系统，包含以下步骤：
[0088]
步骤101、控制载物转台搭载被测设备按照预设方式旋转或移动；
[0089]
所述载物转台用于搭载被测设备，用于调整被测设备到达被测方向或者角度；
[0090]
步骤102、通过馈源和超材料透镜阵列向被测设备发送信号，并接收被测设备发送的信号；
[0091]
测试系统控制测试仪表通过馈源发射信号，发射的信号经过超材料透镜阵列透射或者反射在一定距离下形成符合测试要求的平面波并发送至被测设备。
[0092]
测试系统控制测试仪表通过馈源接收信号，接收的信号通过超材料透镜阵列透射或者反射后，在到达馈源处使得信号也形成满足测试条件的平面波。
[0093]
步骤103、馈源处接收到的信号输出到测试仪表。
[0094]
测试仪表包括但不限于信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪和功率计，通过测试仪表分析馈源接收到的信号，以此判断被测设备的情况。
[0095]
根据本技术的基于超材料透镜系统的测试方法，进一步地，本技术还提出一种基于超材料透镜的平面波生成装置的优化方法，如下。
[0096]
通过测试到达被测试设备的电磁波等相位面，确定测试区域的电磁波与平面波的
差别，例如以测试平面上的相位差作为指标。
[0097]
当所述测试平面上各测试点的相位差小于设定阈值，则确定所述测试平面上的电磁波为平面波；当所述测试平面上至少两个相比较的测试点之间的相位差大于设定阈值，则表明该测试平面上的电磁波不是平面波，此时调整所述超材料透镜或超材料透镜阵列的结构或参数，直到所述测试平面上的电磁波为平面波。
[0098]
调整的参数包括：
[0099]
所述馈源和所述超材料透镜的距离；
[0100]
超材料透镜阵列的层数、超材料透镜阵列中各层超材料透镜之间的距离。
[0101]
进一步地，调整的参数还包括：
[0102]
金属阵列的结构参数，例如各个金属单元之间的距离或密度。
[0103]
还可以调整金属阵列的排列方式。排列方式为多行多列矩阵、或随机分布排列、或以透镜中心旋转对称排列、均匀排列、非均匀排列等。当均匀排列时，行距离和列距离相等；或者，在单位面积内的金属单元数量相同。当非均匀排列时，与馈源距离近时的金属单元密度小于与馈源距离远时的金属单元密度。
[0104]
进一步地，调整的参数还包括：金属单元的尺寸；包括全部金属单元的尺寸相同或距离馈源近的金属单元面积小于距离馈源远的金属单元的面积。
[0105]
进一步地，调整的结构还包括：金属单元的形状。本技术列举了圆形、十字形金属单元。
[0106]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，包含至少一个超材料透镜；所述超材料透镜包含介质基板和位于其上的多个金属单元，将来自超材料透镜焦点、辐射到超材料透镜的电磁波调整为平面波，多个所述金属单元形成金属阵列。2.根据权利要求1所述基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，所述金属阵列排列在介质基板平面上。3.根据权利要求1所述基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，所述介质基板为pcb材料或硅基材料。4.根据权利要求1所述基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，所述金属单元结构为圆形或十字形。5.根据权利要求2所述基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，所述超材料透镜平面为1层。6.根据权利要求2所述基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，所述超材料透镜为平面多层，按照设定的距离平行排列。7.根据权利要求2所述基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，金属阵列中金属单元的排布方式为均匀排布，各金属单元之间行间距和列间距相同。8.根据权利要求2所述基于超材料透镜的平面波生成装置，其特征在于，金属阵列中金属单元的排布方式为非均匀排布。9.一种超材料透镜测试系统，包括超材料透镜、馈源、载物转台、测试仪表和控制系统，载物转台、测试仪表均和控制系统相连，测试仪表链接馈源，所述载物转台用于搭载被测设备，用于调整被测设备到达被测方向或者角度；所述测试仪表用于对无线信号进行测量分析；所述控制系统，用于控制所述载物转台带动被测设备，控制所述测试仪表进行无线信号采集，并将所述载物转台的位置信息和所述测试仪表的无线信号进行分析和判定；其特征在于，使用权利要求1-9任意一项所述超材料透镜的平面波生成装置。10.一种基于超材料透镜系统的测试方法，其特征在于，使用上述超材料透镜测试系统，包含以下步骤：控制载物转台搭载被测设备按照预设方式旋转或移动；通过馈源和超材料透镜阵列向被测设备发送信号，并接收被测设备发送的信号；馈源处接收到的信号输出到测试仪表。

技术总结
本申请公开了一种基于超材料透镜的平面波生成装置，包含超材料透镜；所述超材料透镜包含介质基板和金属单元，所述金属单元对馈源发射的电磁波进行幅度和相位调节，将辐射到超材料透镜的其它形状的电磁波调整为平面波。本申请还包含平面波生成方法、平面波生成装置优化方法和使用所述平面波生成装置的测试系统。本申请馈源距离被测基站设备距离近，测试方便，对场地要求低，价格便宜维护要求低。价格便宜维护要求低。价格便宜维护要求低。


技术研发人员：王志勤 张宇 任宇鑫 潘冲 张翔 吴翔 马宇辰 朱颖
受保护的技术使用者：中国信息通信研究院
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25