CN104931799A - 一种在片天线的电性能测试***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在片天线的电性能测试***，毫米波测试***包括：矢量网络分析仪、毫米波控制机、三工器、毫米波接收模块、S参数测试模块，实现信号的产生和接收测量；毫米波探针通过波导管连接到S参数测试模块的输出端口；探针台***、显微镜***相互配合，实现探针触点和在片天线的馈电点之间的可靠接触；3轴转台***包括下方位转台、第一L型悬臂、第二L型悬臂、俯仰转台、上方位转台以及转台控制器；3轴转台***的上方位安装了毫米波接收模块，毫米波接收模块的输入端口处安装接收喇叭天线，接收喇叭天线对准球心处的在片天线；主控计算机对整个***进行控制。本发明实现了在片天线驻波比、方向图特性及增益的准确测量。

Description

一种在片天线的电性能测试***及方法

技术领域

本发明涉及微波测试技术领域，特别涉及一种在片天线的电性能测试***，还涉及一种在片天线的电性能测试方法。

背景技术

随着电子信息技术、通信技术及集成电路技术的飞速发展，目前无线通信***特别是高速近距离无线通信***纷纷向着更高的频段发展。随着频率的提高，波长越来越短，相应器件的体积尺寸就可以更小，因此片上***获得了快速发展和应用。

传统天线测试技术针对的被测对象是采用同轴、波导等标准接口形式的各类天线，而这类测试技术并不适用于各种没有独立馈电接口的在片天线的测试。在片天线测试技术为解决各种在片天线电性能测试提供了有效手段：采用了探针馈电，利用显微镜及简易探针台辅助进行在片天线的夹持及探针同天线触点的精确接触，可有效解决各种在片天线的馈电问题；配合专门设计的3轴转台，可实现E面、H面主极化和交叉极化方向图以及立体方向图的测试；配合馈电损耗的校准补偿及标准天线比对，可实现在片天线的增益测试。

对于片上***中广泛应用的各类在片天线，其电性能特性对整个***有着重要的影响，因此需要对各类在片天线的性能特性进行测试。

传统天线测试技术针对的被测对象是采用同轴、波导等标准接口形式的各类天线，通常采用标准远场、近场等测试方法，图1所示为标准远场测试方法的技术方案框图，下面详细介绍：

对于远场测试，收发天线应处于彼此的远场区，两个天线的距离需满足R≥2D²/λ，其中D为天线口径的最大尺寸，λ是天线的工作波长。如图1所示，发射天线固定在发射支架上，信号源产生的射频微波信号通过射频电缆送到发射天线，发射天线对准待测天线并将信号辐射出去；待测天线通过支架固定在转台上，待测天线接收发射天线辐射的信号并通过电缆送到接收机接收处理，得到天线的幅度信息，主控计算机通过总线对测试设备进行控制，并获取测试数据；在主控计算机控制下，转台带动待测天线旋转，再通过测试设备进行测试，可以得到待测天线在不同角度、方位接收到的幅度信息；在完成数据采集后，主控计算机通过绘图处理可直接得到待测天线的方向图特性。对于增益测试，该标准远场天线测试技术的测试方法为：***首先通过转台选择寻找待测天线的最大辐射方向，将待测天线的最大辐射方向对准发射天线，并记下此时测量到的幅度值；再利用标准增益天线替换待测天线，通过转台选择寻找标准增益天线的最大辐射方向，并记录对应的测量值；通过对比两次测量的幅度值，再通过对比标准天线的增益值，即可得到待测天线的增益值，这就是标准天线比较的增益测试方法。

对于标准远场天线测试方法，其特点是简单、直接，准确度也比较高。

近场天线测试是一种间接的天线性能特性测试方法，其原理是利用近场测量探头在距离待测天线较近的某一面内(通常距离3～5λ)接收被测天线辐射近场的幅度、相位数据，再利用FFT变换实现近场幅相数据到远场数据的变换，得到待测天线的远场方向图。如图2所示，待测天线固定在支架上，测试***通过标准接口同待测天线连接，近场探头围绕待测天线运动，根据近场探头运动轨迹面的不同，可分为平面近场测试，柱面近场测试和球面近场测试。

天线测试多采用上述标准远场测试方法和近场测试方法。这两类测试方法针对的都是采用同轴、波导等标准馈电接口的各类天线，没有考虑到各种在片天线测试的特殊性。对于在片天线，一方面体积尺寸非常小，因此传统的天线固定方式无法满足夹持的要求，需要采取辅助夹持手段；另一方面天线也没有独立的接头可供连接，传统测试方法无法进行馈电，因此无法获取待测天线的测试信息；另外传统天线测试***的旋转方式、增益测试方式也不适合在片天线的测试。

发明内容

本发明公开了一种在片天线的电性能测试***及方法，通过一种基于探针馈电和“L”型悬臂转台的在片天线的测试方法，解决了各种在片天线的夹持、馈电、测试及校准等问题，可实现在片天线驻波比、主极化和交叉极化方向图、立体方向图以及增益等电性能参数的精确测试。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种在片天线的电性能测试***，毫米波测试***包括：矢量网络分析仪2、毫米波控制机3、三工器4、毫米波接收模块5、S参数测试模块6，实现信号的产生和接收测量；

毫米波探针10通过波导管9连接到输出端口6；

探针台***7、显微镜***8相互配合，实现探针触点和在片天线19的馈电点之间的可靠接触；

3轴转台***包括：下方位转台13、第一L型悬臂14、第二L型悬臂15、俯仰转台16、上方位转台17、以及转台控制器12；在3轴转台***的3个转动部位的轴心处，安装旋转关节11；3轴转台***的上方位安装了毫米波接收模块5，毫米波接收模块5的输入端口处安装接收喇叭天线18，接收喇叭天线18对准球心处的在片天线；

主控计算机1对整个***进行控制；

在片天线放置在探针台***的承片台上并固定，保持在片天线处于转台***旋转的球心位置；利用显微镜***的显微放大作用，将毫米波探针的触点同在片天线的馈电触点接触上；毫米波测试***产生的毫米波信号通过S参数测试模块的输出端口经由毫米波探针后馈送到在片天线，并经在片天线辐射出去；毫米波接收模块固定在上方位并同转台***一起旋转，在球面的各个位置接收幅相信号，得到待测在片天线的方向图特性。

可选地，所述三工器成对使用，在毫米波接收模块中也集成有三工器；三工器中包括DC、IF和LO三路不同频段的滤波器，实现DC、IF和本振信号的合并和分离。

可选地，所述毫米波控制机送出的DC和LO信号经三工器后送到毫米波接收模块，为毫米波接收模块提供直流供电和本振信号，毫米波接收模块产生的中频信号通过接收模块内的三工器送出，在毫米波控制机端通过三工器中的IF滤波路径提取出中频信号。

基于上述的在片天线的电性能测试***，本发明还提供了一种增益测试方法，包括以下步骤：

步骤(1)，波导***损耗测量；

步骤(2)，标准增益天线辐射电平测量；

步骤(3)，毫米波探针***损耗测量；

步骤(4)，待测在片天线辐射电平测量；

步骤(5)，路径损耗误差计算；

步骤(6)，待测在片天线增益计算。

可选地，所述波导***损耗测量的步骤具体包括：

首先，在S参数测试模块的输出端口连接转接波导，其后连接的标准增益天线最大辐射方向对准接收喇叭天线，转接波导输出端口连接波导短路片；

然后，设置***为扫频测试，测试参数为S11；

接下来，通过矢量网络分析仪显示屏幕观察时域曲线，找到短路片对应的反射信号，对该信号时域加门，滤除其它反射信号的影响；

记录下此时的频域数据，得到一组反射信号的幅度值，该数据为***进行不同频率测试时修正的基础，提取频率F对应的幅度值L₁(dB)。

可选地，所述标准增益天线辐射电平测量的步骤具体包括：

首先，去除转接波导上的短路片，换上标准增益天线，标准增益天线的增益值G_标准(dB)已知；

然后，设置***为点频测试，频率值为F，测试参数为S21；

接下来，微调转台***的俯仰轴，找到标准增益天线辐射信号的最大值，并记录该值为P_R1(dB)；

测量标准增益天线同接收喇叭天线之间的距离，记为R1(m)。

可选地，所述毫米波探针***损耗测量的步骤具体包括：

去除S参数测试模块输出端口连接的转接波导，连接毫米波探针，将片上型短路片固定在探针下面，将探针同短路片触点连接；

设置***为扫频测试，测试参数为S11；

通过矢量网络分析仪显示屏幕观察时域曲线，找到短路片对应的反射信号，对该信号时域加门，滤除其它反射信号的影响；

记录下此时的频域数据，得到一组反射信号的幅度值，该数据为***进行不同频率测试时修正的基础，提取频率F对应的幅度值L₂(dB)。

可选地，所述待测在片天线辐射电平测量的步骤具体包括：

将片上型短路片去除，换上待测在片天线；

设置***为点频测试，频率值为F，测试参数为S21；

微调转台***的俯仰轴，找到标准增益天线辐射信号的最大值，并记录该值为P_R2(dB)；

测量在片天线同接收喇叭天线之间的距离，记为R2(m)。

可选地，所述路径损耗误差计算的步骤具体包括：

由所述步骤(2)和步骤(4)对应的测试距离，计算出对应的距离误差为：

$L_R=20\log \left(\frac{R1}{R2}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(1\right).$

可选地，所述待测在片天线增益计算的步骤具体包括：

根据所述5个步骤得到的参数，计算待测在片天线的增益为：

本发明的有益效果是：

(1)能够以接收天线围绕待测天线旋转的形式进行微波/毫米波在片天线的主极化和交叉极化方向图以及立体方向图的测量；

(2)通过测量校准各种误差的影响，实现了增益的准确测量；

(3)同时利用一根电缆传输3路信号的方法，也避免了旋转过程中电缆缠绕，提高了相位稳定度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为标准远场天线测试***示意图；

图2a为平面近场测试***示意图；

图2b为柱面近场测试***示意图；

图2c为球面近场测试***示意图；

图3为本发明的在片天线的电性能测试***的原理框图；

图4a为波导插损及标准天线辐射电平测量原理图；

图4b为探针插损及片上天线辐射电平测量原理图；

图5为本发明的在片天线增益测试方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图3中所示，本发明在片天线的电性能测试***中，毫米波测试***包括：矢量网络分析仪2、毫米波控制机3、三工器4、毫米波接收模块5、S参数测试模块6，实现信号的产生和接收测量；图3中，毫米波探针10通过波导管9连接到输出端口6；探针台***7、显微镜***8相互配合，实现探针触点和在片天线19的馈电点之间的可靠接触；本发明的3轴转台***包括：下方位转台13、L型悬臂14、L型悬臂15、俯仰转台16、上方位转台17、以及转台控制器12；在3轴转台***的3个转动部位的轴心处，安装了旋转关节11，这3个旋转关节的目的是使毫米波测试***中的三工器和毫米波接收模块之间连接的射频电缆不受转台转动的影响，保证其中传输信号幅度和相位的稳定性；3轴转台***的上方位安装了毫米波接收模块5，毫米波接收模块5的输入端口处安装接收喇叭天线18，确保喇叭天线对准球心处的在片天线；整个***利用主控计算机1进行控制，实现自动测试功能。

本发明的***中引入了三工器，目的是在毫米波控制机和毫米波接收模块之间实现一根电缆传输3路信号。三工器是成对使用，在毫米波接收模块中也同样集成有三工器；三工器中包含了DC、IF和LO三路不同频段的滤波器，可以实现DC、IF和本振信号的合并和分离。如图3所示，三工器将毫米波控制机送出的DC和LO信号经三工器后送到毫米波接收模块，为接收模块提供直流供电和本振信号，毫米波接收模块产生的中频信号同样通过接收模块内的三工器送出，在毫米波控制机端通过三工器中的IF滤波路径提取出中频信号供***进一步接收处理。

本发明的工作原理为：首先，如图3连接好***，由于各种在片天线尺寸非常微小，因此需要将在片天线放置在探针台***的承片台上并固定，保持在片天线处于转台***旋转的球心位置；然后，利用显微镜***的显微放大作用，将毫米波探针的触点同在片天线的馈电触点准确可靠的接触上，为了不影响天线性能特性的测试，显微镜可以围绕后面的固定轴向后旋转，离开天线的主辐射区域；接下来，毫米波测试***产生的毫米波信号通过S参数测试模块的输出端口经由毫米波探针后馈送到在片天线，并经在片天线辐射出去；毫米波接收模块固定在上方位并同转台***一起旋转，在球面的各个位置接收幅相信号，即可得到待测在片天线的方向图特性。

3轴转台***的下方位转台和上方位转台可以实现水平面的360度旋转，而下方位转台由于探针台***的限制可实现270度的角度旋转范围，俯仰转台可实现垂直平面内的360度旋转，通过3个轴的相互作用，可以以R为半径，在围绕在片天线的球面上扫描，同时可保证极化特性一致(或极化特***叉，视测试参数的不同而不同)。

基于上述测试***进行增益测试，其测试原理如图4所示，具体的测试过程如图5所示，实施步骤如下：

步骤(1)，波导***损耗测量。

如图4(a)所示，首先在***中S参数测试模块的输出端口连接转接波导，该转接波导的形状随待测在片天线的辐射方向不同而不同，但应保证其后连接的标准增益天线最大辐射方向对准接收喇叭天线，转接波导输出端口连接图4(a)中所示的波导短路片；设置***为扫频测试，测试参数为S11；通过矢量网络分析仪显示屏幕观察时域曲线，找到短路片对应的反射信号，对该信号时域加门，滤除其它反射信号的影响；记录下此时的频域数据，得到一组反射信号的幅度值，该数据为***进行不同频率测试时修正的基础，提取频率F对应的幅度值L₁(dB)。

步骤(2)，标准增益天线辐射电平测量。

去除转接波导上的短路片，换上图4(a)中所示的标准增益天线，该天线的增益值G_标准(dB)已知；设置***为点频测试，频率值为F，测试参数为S21；微调转台***的俯仰轴，找到标准增益天线辐射信号的最大值，并记录该值为P_R1(dB)；测量标准增益天线同接收喇叭天线之间的距离，记为R1(m)。

步骤(3)，毫米波探针***损耗测量。

如图4(b)所示，去除S参数测试模块输出端口连接的转接波导，连接毫米波探针，将片上型短路片固定在探针下面，将探针同短路片触点可靠连接；设置***为扫频测试，测试参数为S11；通过矢量网络分析仪显示屏幕观察时域曲线，找到短路片对应的反射信号，对该信号时域加门，滤除其它反射信号的影响；记录下此时的频域数据，得到一组反射信号的幅度值，该数据为***进行不同频率测试时修正的基础，提取频率F对应的幅度值L₂(dB)。

步骤(4)，待测在片天线辐射电平测量。

如图4(b)所示，将片上型短路片去除，换上待测在片天线；设置***为点频测试，频率值为F，测试参数为S21；微调转台***的俯仰轴，找到标准增益天线辐射信号的最大值，并记录该值为P_R2(dB)；测量在片天线同接收喇叭天线之间的距离，记为R2(m)。

步骤(5)，路径损耗误差计算。

由上述步骤(2)和步骤(4)对应的测试距离，可以计算出对应的距离误差为

$L_R=20\log \left(\frac{R1}{R2}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(1\right)$

步骤(6)，待测在片天线增益计算。

根据上述5个步骤得到的参数，可以计算待测在片天线的增益为

本发明的测试***及方法适合于毫米波各频段各类在片天线的测试，对于微波频段，本发明的测试***及方法同样适合。

本发明能够以接收天线围绕待测天线旋转的形式进行微波/毫米波在片天线的主极化和交叉极化方向图以及立体方向图的测量；通过测量校准各种误差的影响，实现了增益的准确测量；同时利用一根电缆传输3路信号的方法也避免了旋转过程中电缆缠绕，提高了相位稳定度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在片天线的电性能测试***，其特征在于：

毫米波测试***包括：矢量网络分析仪(2)、毫米波控制机(3)、三工器(4)、毫米波接收模块(5)、S参数测试模块(6)，实现信号的产生和接收测量；

毫米波探针(10)通过波导管(9)连接到S参数测试模块(6)输出端口；

探针台***(7)、显微镜***(8)相互配合，实现探针触点和在片天线(19)的馈电点之间的可靠接触；

3轴转台***包括：下方位转台(13)、第一L型悬臂(14)、第二L型悬臂(15)、俯仰转台(16)、上方位转台(17)以及转台控制器(12)；在3轴转台***的3个转动部位的轴心处，安装旋转关节(11)；3轴转台***的上方位安装了毫米波接收模块(5)，毫米波接收模块(5)的输入端口处安装接收喇叭天线(18)，接收喇叭天线(18)对准球心处的在片天线；

主控计算机(1)对整个***进行控制；

在片天线放置在探针台***的承片台上并固定，保持在片天线处于转台***旋转的球心位置；利用显微镜***的显微放大作用，将毫米波探针的触点同在片天线的馈电触点接触上；毫米波测试***产生的毫米波信号通过S参数测试模块的输出端口经由毫米波探针后馈送到在片天线，并经在片天线辐射出去；毫米波接收模块固定在上方位并同转台***一起旋转，在球面的各个位置接收幅相信号，得到待测在片天线的方向图特性。

2.如权利要求1所述的在片天线的电性能测试***，其特征在于，所述三工器成对使用，在毫米波接收模块中也集成有三工器；三工器中包括DC、IF和LO三路不同频段的滤波器，实现DC、IF和本振信号的合并和分离。

3.如权利要求2所述的在片天线的电性能测试***，其特征在于，所述毫米波控制机送出的DC和LO信号经三工器后送到毫米波接收模块，为毫米波接收模块提供直流供电和本振信号，毫米波接收模块产生的中频信号通过接收模块内的三工器送出，在毫米波控制机端通过三工器中的IF滤波路径提取出中频信号。

4.基于权利要求1至3任一项所述的在片天线的电性能测试***的增益测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，波导***损耗测量；

步骤(2)，标准增益天线辐射电平测量；

步骤(3)，毫米波探针***损耗测量；

步骤(4)，待测在片天线辐射电平测量；

步骤(5)，路径损耗误差计算；

步骤(6)，待测在片天线增益计算。

5.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，

所述波导***损耗测量的步骤具体包括：

首先，在S参数测试模块的输出端口连接转接波导，其后连接的标准增益天线最大辐射方向对准接收喇叭天线，转接波导输出端口连接波导短路片；

然后，设置***为扫频测试，测试参数为S11；

接下来，通过矢量网络分析仪显示屏幕观察时域曲线，找到短路片对应的反射信号，对该信号时域加门，滤除其它反射信号的影响；

记录下此时的频域数据，得到一组反射信号的幅度值，该数据为***进行不同频率测试时修正的基础，提取频率F对应的幅度值L₁(dB)。

6.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，

所述标准增益天线辐射电平测量的步骤具体包括：

首先，去除转接波导上的短路片，换上标准增益天线，标准增益天线的增益值G_标准(dB)已知；

然后，设置***为点频测试，频率值为F，测试参数为S21；

接下来，微调转台***的俯仰轴，找到标准增益天线辐射信号的最大值，并记录该值为P_R1(dB)；

测量标准增益天线同接收喇叭天线之间的距离，记为R1(m)。

7.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述毫米波探针***损耗测量的步骤具体包括：

去除S参数测试模块输出端口连接的转接波导，连接毫米波探针，将片上型短路片固定在探针下面，将探针同短路片触点连接；

设置***为扫频测试，测试参数为S11；

通过矢量网络分析仪显示屏幕观察时域曲线，找到短路片对应的反射信号，对该信号时域加门，滤除其它反射信号的影响；

记录下此时的频域数据，得到一组反射信号的幅度值，该数据为***进行不同频率测试时修正的基础，提取频率F对应的幅度值L₂(dB)。

8.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述待测在片天线辐射电平测量的步骤具体包括：

将片上型短路片去除，换上待测在片天线；

设置***为点频测试，频率值为F，测试参数为S21；

微调转台***的俯仰轴，找到标准增益天线辐射信号的最大值，并记录该值为P_R2(dB)；

测量在片天线同接收喇叭天线之间的距离，记为R2(m)。

9.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述路径损耗误差计算的步骤具体包括：

由所述步骤(2)和步骤(4)对应的测试距离，计算出对应的距离损耗误差为：

$L_R=20\log \left(\frac{R1}{R2}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(1\right).$

10.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述待测在片天线增益计算的步骤具体包括：

根据所述5个步骤得到的参数，计算待测在片天线的增益为：