紧缩场技术发展历史

天线方向图的最早测试实验可追溯到1905年Marconi对其通信系统中“马可尼”天线方向图的测试。由于天线方向图测试要求被测天线或目标处于平面波环境下，最初都是采用远场测试方式来满足这一条件，即被测目标与发射天线的距离满足远场条件，发射源必须要与被测天线有足够的距离使得其球面相位波前在被测天线口面上近似平面分布。二战前后贝尔实验室、R.C.A.实验室、M.I.T.辐射实验室等多个研究机构都对天线测试技术做了大量研究工作，并研制出各种天线测试系统，它们都属于远场测试。

在远场测量中，对于电大尺寸的天线来说，这将是非常长的距离（几百米至几千米），为了缩短所必需的测试距离导致了紧缩场和近场技术的发展。最初所做尝试是使用微波透镜来缩短测试距离，1950年，Woonton等人采用约35倍波长方口径金属透镜，Chapman采用固态聚苯乙烯透镜；1953年，Mentzer使用直径为33倍波长的圆形泡沫介质透镜。但由于边缘绕射和介质表面反射的影响，都没有得到很好的结果。

现代紧缩场技术开始于20世纪60年代，Georgia工学院的R. C. Johnson制造了世界上第一个单旋转抛物面紧缩场。他用一个3.05米的旋转抛物面校准角锥天线发射的球面波场，在近距离形成幅相相对一致的平面波场。反射面只有上半部分被照射，其加工公差为±0.05cm。为了降低边缘绕射，在反射面边缘安装吸波材料。其使用频率主要针对X波段。Johnson将紧缩场中的天线测试结果和RCS测试结果与远场中的结果作了对比，吻合得非常好。同时Johnson也研制了单抛物柱面紧缩场，采用2.74m(H)×1.83m(W)的抛物柱面校正由帚形喇叭激励出来的柱面波场来形成平面波场。其加工公差为±0.2mm，电气性能指标（包括背景电平）也要优于单旋转抛物面紧缩场，但由于其几何布局的限制，只能单一极化测量，且频段更换较为复杂，后来其他研究人员在此基础上研制出新类型紧缩场。Johnson于1967年1月31日获得专利认证，并将其命名为紧缩场（CATR）。Johnson对紧缩场技术做了大量的研究工作，包括紧缩场设计、误差分析、应用技术等，为以后的研究奠定了基础。

在20世纪70年代，几所大学相继开展了紧缩场的研究：英国伦敦大学Queen mary学院的Olver等人设计了相对简单的紧缩场，采用直径为3米铝制旋转抛物面。当静区直径为0.5米时平均反射率为-55dB，当静区为1米时平均反射率为-46dB。并首次在此紧缩场中进行毫米波测试；1979年，Olver和Saleeb设计了一种使用泡沫介质的透镜紧缩场，Menzel和Hunter后来研制出可以工作在94GHz固态介质透镜紧缩场。

1976年，荷兰Eindhoven大学的Vokurka研制了双柱面紧缩场。这种紧缩场采用两个正交的抛物柱面校准波束，克服了Johnson设计的单抛物柱面面紧缩场的极化限制。其单弯曲的反射面可以采用金属蜂窝结构面板进行环氧胶接的工艺进行加工，制造成本相对较低，并容易获得很高的表面精度。同时由于双反射面结构，相对于单反射面紧缩场，其等效焦距较长，可以改善空间衰减的不均匀而引起的幅度锥削，其主极化性能和交叉极化性能有所提高，可以获得相对较大的口面利用系数。

图1  单反射面紧缩场

图2  双柱面紧缩场

紧缩场经历了较长时间才被传统的远场测试人员所接受。在20世纪80年代，大量中等尺寸的天线和RCS的测试需求促成紧缩场技术的发展，这是紧缩场技术发展最快的一段时期，不断涌现出新类型紧缩场及逐步完善紧缩场理论。这其中俄亥俄州立大学在理论研究方面作了大量杰出的工作：Walton和Young详细描述了系统构成及性能、测试误差分析及修正校准技术；Burnside、Gilreath、Pistorius等人研究了紧缩场边缘处理方法之一的卷边技术，提出混合卷边技术克服由于椭圆形卷边由于曲率不连续而引起散射效应；Burnside和Heedy对紧缩场的馈源设计也作了研究，提出口径匹配馈源设计方法；Burnside和Lee利用紧缩场作聚焦成像，拓展了紧缩场应用领域。

在这段时期又陆续研制和完善几种新类型紧缩场：

Manitoba大学的Sanad和Shafai对双柱面紧缩场进行了深入研究，详细论述了几何布局、焦径比、馈源指向偏角等基本参数对主副面口面场分布的影响，通过优化馈源的位置和指向可以降低交叉极化，调整馈源轴线倾角可克服口面主极化的不对称，并给出计算倾角的表达式。

英国Farhat和Bennett提出单抛物柱面紧缩场（即单平面校准场）的概念，采用抛物柱面反射焦点处馈源发出的球面波，在静区形成柱面波，在柱面波环境下测得的天线接收数据通过远近、场变换得到被测天线的方向图。这是一个相当经济的方法，单弯曲反射面可以采用面板工艺加工，而且容易获得较高的精度；由于柱面波前使得反射的能量分布在较大的空间范围，因此可以获得较高的口面利用系数；静区的波前在只有一维存在偏差，因此对数据只需一维采集，做一维的远近场变换，节省了大量的时间，可以做到准实时测量。亚利桑那州立大学的Bircher采用参考目标法在单抛物柱面紧缩场紧缩场中进行RCS测量，对长棒和缩比飞机模型进行试验测量，并与双柱面紧缩场测量结果吻合得很好。

图3  单平面校准场

俄亥俄州立大学的Burnside和他的同事研制出基于双暗室结构的Gregorian紧缩场，其主要针对单旋转抛物面紧缩场偏馈布局引起口面场锥削加重及交叉极化变大的问题，由初级馈源与副面（旋转椭球面）形成的虚焦点代替实际的初级馈源对反射面馈电，通过初级馈源与副面光程差来补偿主面焦点至主面光程差减小静区场的锥削，同时当初级馈源、副面、主面满足圆对称条件从几何光学的角度可以完全消除交叉极化。其初级馈源和副面可安置在独立的小暗室中与主面和被测件分开，可以有效减小副面边缘绕射和馈源直漏。最初副面没有对边缘进行处理，发现副面边缘对主面入射场的影响较大，后采用锯齿边缘和阻抗边缘减小边缘影响。

德国的Dudok和Fasold研制出补偿式紧缩场（即前馈卡塞格伦紧缩场），采用两个双弯曲反射面校准初级馈源发出的球面波，副面为旋转双曲面，主面为旋转抛物面，边缘采用锯齿形边齿处理。与同为双反射面的双柱面紧缩场相比其等效焦距更长，口面利用系数高，且交叉极化低。其建造了这种布局的紧缩场，反射面采用铸铁材料，通过五坐标铣床对其加工，其测试频率2GHz~200GHz，静区尺寸为5.5m(W)×5.0m(H)×6.0m (D)，交叉极化低于-40dB。

图4 格里高利紧缩场

图5 补偿式紧缩场

美国Harris公司将赋形天线的原理应用到紧缩场设计中，制造出赋形紧缩场。赋形紧缩场的基本原理是根据给定的馈源方向图及要求的口面场分布，利用几何光学法综合出所需的副面和主面形状。尽管此时的主、副面形状已不是标准的几何曲面，但其二阶导数仍保持连续，即它是光滑的曲面。赋形CATR的优点是可得到主面口面场连续分布；此外，由于可以令边缘电平很低，从而大大提高了口面利用率；由于不用锯齿边缘，工艺制造方面也可以得到简化。反射面面采用面板工艺，表面精度为0.025mm至0.040mm，采用照相测绘法进行拼装，口面利用系数可达75%。同时加利福尼亚理工学院的Galindo-Israel、Imbriale等人对赋形紧缩场口面场分布对静区影响做了大量分析计算，分别采用“SWE”积分方法、GO/PO方法、GTD/PO方法计算不同口径尺寸、不同口径分布函数的横向场及纵向场分布，得到最佳口径分布为比例系数为5/6的1+Guass分布，同时最小口径尺寸为60λ可获得较佳的口面利用系数和纹波特性。

紧缩场技术至20世纪90年代已经趋于成熟，已经成为天线测试及散射测试一种高精度测试手段。这段时期也出现了新类型紧缩场：芬兰Helsinki科技大学Tuovinen提出全息紧缩场概念。这种紧缩场利用微波全息原理，当馈源发出的球面波照射在全息透镜上，经过全息条纹的散射，在透镜的另一面形成平面波。目前已经研制出工作在650GHz，静区尺寸为0.62m的全息紧缩场，其静区幅度不平度为2dB，相位不平度为15°。并使用另外的直径3m的全息紧缩场，在322GHz上对直径1.5m的反射面天线进行测试，得到良好的测试结果。

图 6全息紧缩场

目前世界各国大部分的研究人员已经将研究重点更多地放在紧缩场性能提高及紧缩场应用技术上，使得紧缩场能够满足更多的测量需求。频率扩展、馈源设计、误差分析及修正等方面的研究成为关注的焦点。

频带扩展是在紧缩场技术发展过程中一直在研究的问题。由于紧缩场静区处于反射面天线的近场，其性能受反射面边缘绕射影响较大，采用边缘处理（锯齿边缘、卷边技术）可减小这种干扰，但频率较低的情况下，这些边缘处理方式的电尺寸很小，将会失去作用，因此1GHz以下的工作频率在紧缩场测量中一直是个难题， Bradford大学的Excell通过设计馈源减小边缘照射来获得较好的低频特性，Brumley通过对紧缩场低频特性的大量计算发现改变静区位置使其处于反射面天线的远场或准远场可以获得较佳的低频性能。而紧缩场的高频性能主要反射面精度影响，其反射面精度要求为工作频率波长的百分之一，目前已经开展THz紧缩场的研究，并进行了雷达特征测量。

九十年代初国内的一些研究人员开始对紧缩场技术进行深入研究。北京航空航天大学的何国瑜和他的同事于1992年成功研制出国内第一台国产紧缩场，其类型为双柱面紧缩场，静区尺寸为F1.5米×1.5米，采用金属蜂窝结构、负压成型、钉床法柔性模具制造高精度面板，工作频率为4GHz~40GHz。在2000年建造了静区为5米×7米×3.3米的大型双柱面紧缩场，工作频率为2GHz~40GHz在反射面的装调上采用动态平差补偿方法、多台电子经纬仪组网、计算机现场辅助调整等方法，保证了反射面精度为0.05mm。

图7  国内第一台双柱面紧缩场C2015

2002年制造了国内第一台国产单反射面紧缩场（旋转抛物面），其静区尺寸为F4米×4米。采用双弯曲夹层面办成型技术,反射面加工精度为0.025mm,反射面实体采用多块面板拼装而成，整体的拼装精度为0.040mm，采用极化栅技术降低静区交叉极化。

北京航空航天大学在紧缩场理论分析上也做了大量工作，何国瑜教授研究了偏馈赋形紧缩场的电气设计，提出了进行双反射面赋形综合的设计方法，提出口径绕射理论及口径相似原理，给紧缩场设计提供便捷可靠的分析手段，并分析了交叉极化如何得到补偿和控制，通过射线追踪法研究了边齿绕射对静区的影响，对单反射面、双柱面、单柱面、前馈卡塞格伦紧缩场等多种类型紧缩场的电气设计作了研究。

审核编辑 ：李倩