科普｜緊縮場技術發展歷史

 天線方向圖的最早測試實驗可追溯到1905年Marconi對其通信系統中“馬可尼”天線方向圖的測試。由于天線方向圖測試要求被測天線或目標處于平面波環境下，最初都是采用遠場測試方式來滿足這一條件，即被測目標與發射天線的距離滿足遠場條件，發射源必須要與被測天線有足夠的距離使得其球面相位波前在被測天線口面上近似平面分布。二戰前后貝爾實驗室、R.C.A.實驗室、M.I.T.輻射實驗室等多個研究機構都對天線測試技術做了大量研究工作，并研制出各種天線測試系統，它們都屬于遠場測試。

      在遠場測量中，對于電大尺寸的天線來說，這將是非常長的距離（幾百米至幾千米），為了縮短所必需的測試距離導致了緊縮場和近場技術的發展。最初所做嘗試是使用微波透鏡來縮短測試距離，1950年，Woonton等人采用約35倍波長方口徑金屬透鏡，Chapman采用固態聚苯乙烯透鏡；1953年，Mentzer使用直徑為33倍波長的圓形泡沫介質透鏡。但由于邊緣繞射和介質表面反射的影響，都沒有得到很好的結果。

      現代緊縮場技術開始于20世紀60年代，Georgia工學院的R. C. Johnson制造了世界上第一個單旋轉拋物面緊縮場。他用一個3.05米的旋轉拋物面校準角錐天線發射的球面波場，在近距離形成幅相相對一致的平面波場。反射面只有上半部分被照射，其加工公差為±0.05cm。為了降低邊緣繞射，在反射面邊緣安裝吸波材料。其使用頻率主要針對X波段。Johnson將緊縮場中的天線測試結果和RCS測試結果與遠場中的結果作了對比，吻合得非常好。同時Johnson也研制了單拋物柱面緊縮場，采用2.74m(H)×1.83m(W)的拋物柱面校正由帚形喇叭激勵出來的柱面波場來形成平面波場。其加工公差為±0.2mm，電氣性能指標（包括背景電平）也要優于單旋轉拋物面緊縮場，但由于其幾何布局的限制，只能單一極化測量，且頻段更換較為復雜，后來其他研究人員在此基礎上研制出新類型緊縮場。Johnson于1967年1月31日獲得專利認證，并將其命名為緊縮場（CATR）。Johnson對緊縮場技術做了大量的研究工作，包括緊縮場設計、誤差分析、應用技術等，為以后的研究奠定了基礎。

      在20世紀70年代，幾所大學相繼開展了緊縮場的研究：英國倫敦大學Queen mary學院的Olver等人設計了相對簡單的緊縮場，采用直徑為3米鋁制旋轉拋物面。當靜區直徑為0.5米時平均反射率為-55dB，當靜區為1米時平均反射率為-46dB。并首次在此緊縮場中進行毫米波測試；1979年，Olver和Saleeb設計了一種使用泡沫介質的透鏡緊縮場，Menzel和Hunter后來研制出可以工作在94GHz固態介質透鏡緊縮場。

      1976年，荷蘭Eindhoven大學的Vokurka研制了雙柱面緊縮場。這種緊縮場采用兩個正交的拋物柱面校準波束，克服了Johnson設計的單拋物柱面面緊縮場的極化限制。其單彎曲的反射面可以采用金屬蜂窩結構面板進行環氧膠接的工藝進行加工，制造成本相對較低，并容易獲得很高的表面精度。同時由于雙反射面結構，相對于單反射面緊縮場，其等效焦距較長，可以改善空間衰減的不均勻而引起的幅度錐削，其主極化性能和交叉極化性能有所提高，可以獲得相對較大的口面利用系數。

圖1  單反射面緊縮場

圖2  雙柱面緊縮場

      緊縮場經歷了較長時間才被傳統的遠場測試人員所接受。在20世紀80年代，大量中等尺寸的天線和RCS的測試需求促成緊縮場技術的發展，這是緊縮場技術發展最快的一段時期，不斷涌現出新類型緊縮場及逐步完善緊縮場理論。這其中俄亥俄州立大學在理論研究方面作了大量杰出的工作：Walton和Young詳細描述了系統構成及性能、測試誤差分析及修正校準技術；Burnside、Gilreath、Pistorius等人研究了緊縮場邊緣處理方法之一的卷邊技術，提出混合卷邊技術克服由于橢圓形卷邊由于曲率不連續而引起散射效應；Burnside和Heedy對緊縮場的饋源設計也作了研究，提出口徑匹配饋源設計方法；Burnside和Lee利用緊縮場作聚焦成像，拓展了緊縮場應用領域。

      在這段時期又陸續研制和完善幾種新類型緊縮場：

      Manitoba大學的Sanad和Shafai對雙柱面緊縮場進行了深入研究，詳細論述了幾何布局、焦徑比、饋源指向偏角等基本參數對主副面口面場分布的影響，通過優化饋源的位置和指向可以降低交叉極化，調整饋源軸線傾角可克服口面主極化的不對稱，并給出計算傾角的表達式。

      英國Farhat和Bennett提出單拋物柱面緊縮場（即單平面校準場）的概念，采用拋物柱面反射焦點處饋源發出的球面波，在靜區形成柱面波，在柱面波環境下測得的天線接收數據通過遠近、場變換得到被測天線的方向圖。這是一個相當經濟的方法，單彎曲反射面可以采用面板工藝加工，而且容易獲得較高的精度；由于柱面波前使得反射的能量分布在較大的空間范圍，因此可以獲得較高的口面利用系數；靜區的波前在只有一維存在偏差，因此對數據只需一維采集，做一維的遠近場變換，節省了大量的時間，可以做到準實時測量。亞利桑那州立大學的Bircher采用參考目標法在單拋物柱面緊縮場緊縮場中進行RCS測量，對長棒和縮比飛機模型進行試驗測量，并與雙柱面緊縮場測量結果吻合得很好。

圖3  單平面校準場

      俄亥俄州立大學的Burnside和他的同事研制出基于雙暗室結構的Gregorian緊縮場，其主要針對單旋轉拋物面緊縮場偏饋布局引起口面場錐削加重及交叉極化變大的問題，由初級饋源與副面（旋轉橢球面）形成的虛焦點代替實際的初級饋源對反射面饋電，通過初級饋源與副面光程差來補償主面焦點至主面光程差減小靜區場的錐削，同時當初級饋源、副面、主面滿足圓對稱條件從幾何光學的角度可以完全消除交叉極化。其初級饋源和副面可安置在獨立的小暗室中與主面和被測件分開，可以有效減小副面邊緣繞射和饋源直漏。最初副面沒有對邊緣進行處理，發現副面邊緣對主面入射場的影響較大，后采用鋸齒邊緣和阻抗邊緣減小邊緣影響。

      德國的Dudok和Fasold研制出補償式緊縮場（即前饋卡塞格倫緊縮場），采用兩個雙彎曲反射面校準初級饋源發出的球面波，副面為旋轉雙曲面，主面為旋轉拋物面，邊緣采用鋸齒形邊齒處理。與同為雙反射面的雙柱面緊縮場相比其等效焦距更長，口面利用系數高，且交叉極化低。其建造了這種布局的緊縮場，反射面采用鑄鐵材料，通過五坐標銑床對其加工，其測試頻率2GHz~200GHz，靜區尺寸為5.5m(W)×5.0m(H)×6.0m (D)，交叉極化低于-40dB。

圖4 格里高利緊縮場

圖5 補償式緊縮場

      美國Harris公司將賦形天線的原理應用到緊縮場設計中，制造出賦形緊縮場。賦形緊縮場的基本原理是根據給定的饋源方向圖及要求的口面場分布，利用幾何光學法綜合出所需的副面和主面形狀。盡管此時的主、副面形狀已不是標準的幾何曲面，但其二階導數仍保持連續，即它是光滑的曲面。賦形CATR的優點是可得到主面口面場連續分布；此外，由于可以令邊緣電平很低，從而大大提高了口面利用率；由于不用鋸齒邊緣，工藝制造方面也可以得到簡化。反射面面采用面板工藝，表面精度為0.025mm至0.040mm，采用照相測繪法進行拼裝，口面利用系數可達75%。同時加利福尼亞理工學院的Galindo-Israel、Imbriale等人對賦形緊縮場口面場分布對靜區影響做了大量分析計算，分別采用“SWE”積分方法、GO/PO方法、GTD/PO方法計算不同口徑尺寸、不同口徑分布函數的橫向場及縱向場分布，得到最佳口徑分布為比例系數為5/6的1+Guass分布，同時最小口徑尺寸為60λ可獲得較佳的口面利用系數和紋波特性。

      緊縮場技術至20世紀90年代已經趨于成熟，已經成為天線測試及散射測試一種高精度測試手段。這段時期也出現了新類型緊縮場：芬蘭Helsinki科技大學Tuovinen提出全息緊縮場概念。這種緊縮場利用微波全息原理，當饋源發出的球面波照射在全息透鏡上，經過全息條紋的散射，在透鏡的另一面形成平面波。目前已經研制出工作在650GHz，靜區尺寸為0.62m的全息緊縮場，其靜區幅度不平度為2dB，相位不平度為15°。并使用另外的直徑3m的全息緊縮場，在322GHz上對直徑1.5m的反射面天線進行測試，得到良好的測試結果。

圖 6全息緊縮場

      目前世界各國大部分的研究人員已經將研究重點更多地放在緊縮場性能提高及緊縮場應用技術上，使得緊縮場能夠滿足更多的測量需求。頻率擴展、饋源設計、誤差分析及修正等方面的研究成為關注的焦點。

      頻帶擴展是在緊縮場技術發展過程中一直在研究的問題。由于緊縮場靜區處于反射面天線的近場，其性能受反射面邊緣繞射影響較大，采用邊緣處理（鋸齒邊緣、卷邊技術）可減小這種干擾，但頻率較低的情況下，這些邊緣處理方式的電尺寸很小，將會失去作用，因此1GHz以下的工作頻率在緊縮場測量中一直是個難題， Bradford大學的Excell通過設計饋源減小邊緣照射來獲得較好的低頻特性，Brumley通過對緊縮場低頻特性的大量計算發現改變靜區位置使其處于反射面天線的遠場或準遠場可以獲得較佳的低頻性能。而緊縮場的高頻性能主要反射面精度影響，其反射面精度要求為工作頻率波長的百分之一，目前已經開展THz緊縮場的研究，并進行了雷達特征測量。

      九十年代初國內的一些研究人員開始對緊縮場技術進行深入研究。北京航空航天大學的何國瑜和他的同事于1992年成功研制出國內第一臺國產緊縮場，其類型為雙柱面緊縮場，靜區尺寸為F1.5米×1.5米，采用金屬蜂窩結構、負壓成型、釘床法柔性模具制造高精度面板，工作頻率為4GHz~40GHz。在2000年建造了靜區為5米×7米×3.3米的大型雙柱面緊縮場，工作頻率為2GHz~40GHz在反射面的裝調上采用動態平差補償方法、多臺電子經緯儀組網、計算機現場輔助調整等方法，保證了反射面精度為0.05mm。

圖7  國內第一臺雙柱面緊縮場C2015

      2002年制造了國內第一臺國產單反射面緊縮場（旋轉拋物面），其靜區尺寸為F4米×4米。采用雙彎曲夾層面辦成型技術,反射面加工精度為0.025mm,反射面實體采用多塊面板拼裝而成，整體的拼裝精度為0.040mm，采用極化柵技術降低靜區交叉極化。

      北京航空航天大學在緊縮場理論分析上也做了大量工作，何國瑜教授研究了偏饋賦形緊縮場的電氣設計，提出了進行雙反射面賦形綜合的設計方法，提出口徑繞射理論及口徑相似原理，給緊縮場設計提供便捷可靠的分析手段，并分析了交叉極化如何得到補償和控制，通過射線追蹤法研究了邊齒繞射對靜區的影響，對單反射面、雙柱面、單柱面、前饋卡塞格倫緊縮場等多種類型緊縮場的電氣設計作了研究。