緊縮場(chǎng)技術(shù)發(fā)展歷史

天線方向圖的最早測(cè)試實(shí)驗(yàn)可追溯到1905年Marconi對(duì)其通信系統(tǒng)中“馬可尼”天線方向圖的測(cè)試。由于天線方向圖測(cè)試要求被測(cè)天線或目標(biāo)處于平面波環(huán)境下，最初都是采用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方式來滿足這一條件，即被測(cè)目標(biāo)與發(fā)射天線的距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，發(fā)射源必須要與被測(cè)天線有足夠的距離使得其球面相位波前在被測(cè)天線口面上近似平面分布。二戰(zhàn)前后貝爾實(shí)驗(yàn)室、R.C.A.實(shí)驗(yàn)室、M.I.T.輻射實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)都對(duì)天線測(cè)試技術(shù)做了大量研究工作，并研制出各種天線測(cè)試系統(tǒng)，它們都屬于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。

在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中，對(duì)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(cè)試距離導(dǎo)致了緊縮場(chǎng)和近場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展。最初所做嘗試是使用微波透鏡來縮短測(cè)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(tài)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(zhì)透鏡。但由于邊緣繞射和介質(zhì)表面反射的影響，都沒有得到很好的結(jié)果。

現(xiàn)代緊縮場(chǎng)技術(shù)開始于20世紀(jì)60年代，Georgia工學(xué)院的R. C.Johnson制造了世界上第一個(gè)單旋轉(zhuǎn)拋物面緊縮場(chǎng)。他用一個(gè)3.05米的旋轉(zhuǎn)拋物面校準(zhǔn)角錐天線發(fā)射的球面波場(chǎng)，在近距離形成幅相相對(duì)一致的平面波場(chǎng)。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(duì)X波段。Johnson將緊縮場(chǎng)中的天線測(cè)試結(jié)果和RCS測(cè)試結(jié)果與遠(yuǎn)場(chǎng)中的結(jié)果作了對(duì)比，吻合得非常好。同時(shí)Johnson也研制了單拋物柱面緊縮場(chǎng)，采用2.74m(H)×1.83m(W)的拋物柱面校正由帚形喇叭激勵(lì)出來的柱面波場(chǎng)來形成平面波場(chǎng)。其加工公差為±0.2mm，電氣性能指標(biāo)（包括背景電平）也要優(yōu)于單旋轉(zhuǎn)拋物面緊縮場(chǎng)，但由于其幾何布局的限制，只能單一極化測(cè)量，且頻段更換較為復(fù)雜，后來其他研究人員在此基礎(chǔ)上研制出新類型緊縮場(chǎng)。Johnson于1967年1月31日獲得專利認(rèn)證，并將其命名為緊縮場(chǎng)（CATR）。Johnson對(duì)緊縮場(chǎng)技術(shù)做了大量的研究工作，包括緊縮場(chǎng)設(shè)計(jì)、誤差分析、應(yīng)用技術(shù)等，為以后的研究奠定了基礎(chǔ)。

在20世紀(jì)70年代，幾所大學(xué)相繼開展了緊縮場(chǎng)的研究：英國倫敦大學(xué)Queen mary學(xué)院的Olver等人設(shè)計(jì)了相對(duì)簡單的緊縮場(chǎng)，采用直徑為3米鋁制旋轉(zhuǎn)拋物面。當(dāng)靜區(qū)直徑為0.5米時(shí)平均反射率為-55dB，當(dāng)靜區(qū)為1米時(shí)平均反射率為-46dB。并首次在此緊縮場(chǎng)中進(jìn)行毫米波測(cè)試；1979年，Olver和Saleeb設(shè)計(jì)了一種使用泡沫介質(zhì)的透鏡緊縮場(chǎng)，Menzel和Hunter后來研制出可以工作在94GHz固態(tài)介質(zhì)透鏡緊縮場(chǎng)。

1976年，荷蘭Eindhoven大學(xué)的Vokurka研制了雙柱面緊縮場(chǎng)。這種緊縮場(chǎng)采用兩個(gè)正交的拋物柱面校準(zhǔn)波束，克服了Johnson設(shè)計(jì)的單拋物柱面面緊縮場(chǎng)的極化限制。其單彎曲的反射面可以采用金屬蜂窩結(jié)構(gòu)面板進(jìn)行環(huán)氧膠接的工藝進(jìn)行加工，制造成本相對(duì)較低，并容易獲得很高的表面精度。同時(shí)由于雙反射面結(jié)構(gòu)，相對(duì)于單反射面緊縮場(chǎng)，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(duì)較大的口面利用系數(shù)。

圖1單反射面緊縮場(chǎng)

圖2雙柱面緊縮場(chǎng)

緊縮場(chǎng)經(jīng)歷了較長時(shí)間才被傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試人員所接受。在20世紀(jì)80年代，大量中等尺寸的天線和RCS的測(cè)試需求促成緊縮場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展，這是緊縮場(chǎng)技術(shù)發(fā)展最快的一段時(shí)期，不斷涌現(xiàn)出新類型緊縮場(chǎng)及逐步完善緊縮場(chǎng)理論。這其中俄亥俄州立大學(xué)在理論研究方面作了大量杰出的工作：Walton和Young詳細(xì)描述了系統(tǒng)構(gòu)成及性能、測(cè)試誤差分析及修正校準(zhǔn)技術(shù)；Burnside、Gilreath、Pistorius等人研究了緊縮場(chǎng)邊緣處理方法之一的卷邊技術(shù)，提出混合卷邊技術(shù)克服由于橢圓形卷邊由于曲率不連續(xù)而引起散射效應(yīng)；Burnside和Heedy對(duì)緊縮場(chǎng)的饋源設(shè)計(jì)也作了研究，提出口徑匹配饋源設(shè)計(jì)方法；Burnside和Lee利用緊縮場(chǎng)作聚焦成像，拓展了緊縮場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。

在這段時(shí)期又陸續(xù)研制和完善幾種新類型緊縮場(chǎng)：

Manitoba大學(xué)的Sanad和Shafai對(duì)雙柱面緊縮場(chǎng)進(jìn)行了深入研究，詳細(xì)論述了幾何布局、焦徑比、饋源指向偏角等基本參數(shù)對(duì)主副面口面場(chǎng)分布的影響，通過優(yōu)化饋源的位置和指向可以降低交叉極化，調(diào)整饋源軸線傾角可克服口面主極化的不對(duì)稱，并給出計(jì)算傾角的表達(dá)式。

英國Farhat和Bennett提出單拋物柱面緊縮場(chǎng)（即單平面校準(zhǔn)場(chǎng)）的概念，采用拋物柱面反射焦點(diǎn)處饋源發(fā)出的球面波，在靜區(qū)形成柱面波，在柱面波環(huán)境下測(cè)得的天線接收數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)近、場(chǎng)變換得到被測(cè)天線的方向圖。這是一個(gè)相當(dāng)經(jīng)濟(jì)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(shù)；靜區(qū)的波前在只有一維存在偏差，因此對(duì)數(shù)據(jù)只需一維采集，做一維的遠(yuǎn)近場(chǎng)變換，節(jié)省了大量的時(shí)間，可以做到準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量。亞利桑那州立大學(xué)的Bircher采用參考目標(biāo)法在單拋物柱面緊縮場(chǎng)緊縮場(chǎng)中進(jìn)行RCS測(cè)量，對(duì)長棒和縮比飛機(jī)模型進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，并與雙柱面緊縮場(chǎng)測(cè)量結(jié)果吻合得很好。

圖3單平面校準(zhǔn)場(chǎng)

俄亥俄州立大學(xué)的Burnside和他的同事研制出基于雙暗室結(jié)構(gòu)的Gregorian緊縮場(chǎng)，其主要針對(duì)單旋轉(zhuǎn)拋物面緊縮場(chǎng)偏饋布局引起口面場(chǎng)錐削加重及交叉極化變大的問題，由初級(jí)饋源與副面（旋轉(zhuǎn)橢球面）形成的虛焦點(diǎn)代替實(shí)際的初級(jí)饋源對(duì)反射面饋電，通過初級(jí)饋源與副面光程差來補(bǔ)償主面焦點(diǎn)至主面光程差減小靜區(qū)場(chǎng)的錐削，同時(shí)當(dāng)初級(jí)饋源、副面、主面滿足圓對(duì)稱條件從幾何光學(xué)的角度可以完全消除交叉極化。其初級(jí)饋源和副面可安置在獨(dú)立的小暗室中與主面和被測(cè)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(duì)邊緣進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)副面邊緣對(duì)主面入射場(chǎng)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(bǔ)償式緊縮場(chǎng)（即前饋卡塞格倫緊縮場(chǎng)），采用兩個(gè)雙彎曲反射面校準(zhǔn)初級(jí)饋源發(fā)出的球面波，副面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，主面為旋轉(zhuǎn)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(chǎng)相比其等效焦距更長，口面利用系數(shù)高，且交叉極化低。其建造了這種布局的緊縮場(chǎng)，反射面采用鑄鐵材料，通過五坐標(biāo)銑床對(duì)其加工，其測(cè)試頻率2GHz~200GHz，靜區(qū)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(chǎng)

圖5補(bǔ)償式緊縮場(chǎng)

美國Harris公司將賦形天線的原理應(yīng)用到緊縮場(chǎng)設(shè)計(jì)中，制造出賦形緊縮場(chǎng)。賦形緊縮場(chǎng)的基本原理是根據(jù)給定的饋源方向圖及要求的口面場(chǎng)分布，利用幾何光學(xué)法綜合出所需的副面和主面形狀。盡管此時(shí)的主、副面形狀已不是標(biāo)準(zhǔn)的幾何曲面，但其二階導(dǎo)數(shù)仍保持連續(xù)，即它是光滑的曲面。賦形CATR的優(yōu)點(diǎn)是可得到主面口面場(chǎng)連續(xù)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(cè)繪法進(jìn)行拼裝，口面利用系數(shù)可達(dá)75%。同時(shí)加利福尼亞理工學(xué)院的Galindo-Israel、Imbriale等人對(duì)賦形緊縮場(chǎng)口面場(chǎng)分布對(duì)靜區(qū)影響做了大量分析計(jì)算，分別采用“SWE”積分方法、GO/PO方法、GTD/PO方法計(jì)算不同口徑尺寸、不同口徑分布函數(shù)的橫向場(chǎng)及縱向場(chǎng)分布，得到最佳口徑分布為比例系數(shù)為5/6的1+Guass分布，同時(shí)最小口徑尺寸為60λ可獲得較佳的口面利用系數(shù)和紋波特性。

緊縮場(chǎng)技術(shù)至20世紀(jì)90年代已經(jīng)趨于成熟，已經(jīng)成為天線測(cè)試及散射測(cè)試一種高精度測(cè)試手段。這段時(shí)期也出現(xiàn)了新類型緊縮場(chǎng)：芬蘭Helsinki科技大學(xué)Tuovinen提出全息緊縮場(chǎng)概念。這種緊縮場(chǎng)利用微波全息原理，當(dāng)饋源發(fā)出的球面波照射在全息透鏡上，經(jīng)過全息條紋的散射，在透鏡的另一面形成平面波。目前已經(jīng)研制出工作在650GHz，靜區(qū)尺寸為0.62m的全息緊縮場(chǎng)，其靜區(qū)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(chǎng)，在322GHz上對(duì)直徑1.5m的反射面天線進(jìn)行測(cè)試，得到良好的測(cè)試結(jié)果。

圖6全息緊縮場(chǎng)

目前世界各國大部分的研究人員已經(jīng)將研究重點(diǎn)更多地放在緊縮場(chǎng)性能提高及緊縮場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)上，使得緊縮場(chǎng)能夠滿足更多的測(cè)量需求。頻率擴(kuò)展、饋源設(shè)計(jì)、誤差分析及修正等方面的研究成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

頻帶擴(kuò)展是在緊縮場(chǎng)技術(shù)發(fā)展過程中一直在研究的問題。由于緊縮場(chǎng)靜區(qū)處于反射面天線的近場(chǎng)，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(shù)）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(huì)失去作用，因此1GHz以下的工作頻率在緊縮場(chǎng)測(cè)量中一直是個(gè)難題， Bradford大學(xué)的Excell通過設(shè)計(jì)饋源減小邊緣照射來獲得較好的低頻特性，Brumley通過對(duì)緊縮場(chǎng)低頻特性的大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)改變靜區(qū)位置使其處于反射面天線的遠(yuǎn)場(chǎng)或準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)可以獲得較佳的低頻性能。而緊縮場(chǎng)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(jīng)開展THz緊縮場(chǎng)的研究，并進(jìn)行了雷達(dá)特征測(cè)量。

九十年代初國內(nèi)的一些研究人員開始對(duì)緊縮場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行深入研究。北京航空航天大學(xué)的何國瑜和他的同事于1992年成功研制出國內(nèi)第一臺(tái)國產(chǎn)緊縮場(chǎng)，其類型為雙柱面緊縮場(chǎng)，靜區(qū)尺寸為F1.5米×1.5米，采用金屬蜂窩結(jié)構(gòu)、負(fù)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(qū)為5米×7米×3.3米的大型雙柱面緊縮場(chǎng)，工作頻率為2GHz~40GHz在反射面的裝調(diào)上采用動(dòng)態(tài)平差補(bǔ)償方法、多臺(tái)電子經(jīng)緯儀組網(wǎng)、計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)輔助調(diào)整等方法，保證了反射面精度為0.05mm。

圖7國內(nèi)第一臺(tái)雙柱面緊縮場(chǎng)C2015

2002年制造了國內(nèi)第一臺(tái)國產(chǎn)單反射面緊縮場(chǎng)（旋轉(zhuǎn)拋物面），其靜區(qū)尺寸為F4米×4米。采用雙彎曲夾層面辦成型技術(shù),反射面加工精度為0.025mm,反射面實(shí)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(shù)降低靜區(qū)交叉極化。

北京航空航天大學(xué)在緊縮場(chǎng)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(chǎng)的電氣設(shè)計(jì)，提出了進(jìn)行雙反射面賦形綜合的設(shè)計(jì)方法，提出口徑繞射理論及口徑相似原理，給緊縮場(chǎng)設(shè)計(jì)提供便捷可靠的分析手段，并分析了交叉極化如何得到補(bǔ)償和控制，通過射線追蹤法研究了邊齒繞射對(duì)靜區(qū)的影響，對(duì)單反射面、雙柱面、單柱面、前饋卡塞格倫緊縮場(chǎng)等多種類型緊縮場(chǎng)的電氣設(shè)計(jì)作了研究。

審核編輯 ：李倩