CN107110948A - 反应性近场天线测量 - Google Patents

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Abstract

一种校准或校正来自集成测量探针的扫描器板阵列的近场或远场数据的方法，该测量探针被电子切换以从被测天线(AUT)捕获近场数据并具有板输出，包括以下步骤：将校准探针与其中一个测量探针耦接，测量通过测量探针和校准探针的功率，并通过消除校准探针的影响来隔离从测量探针到板输出的射频路径的影响，并且对于每个测量探针进行重复。还公开了一种用于校正对于AUT的散射效应和负载效应的方法。

Description

反应性近场天线测量
技术领域
本发明涉及用于表征天线性能的反应性(reactive)或非常近场测量的***和方法，包括去嵌入探针***在天线上的各种效应的方法。
背景技术
近场测量***广泛用于大范围和/或低频天线的表征，对于这种天线远场或紧凑范围的测量***变得过于昂贵，并且在某些情况下是不实用的。这些近场测量***的紧凑尺寸允许将测量探针集成在平面、圆形和其他阵列配置中。如果通过传感器阵列进行测量，则减少或消除被测天线(AUT)或被测设备(DUT)的机械运动，因此减少测量时间。在平面近场测量的情况下，近场到远场变换算法的简单性以及基于阵列的方法导致对于半球中AUT的几乎实时的远场表征。如果可以在近场的反应区域进行测量，则可以实现测量***尺寸的进一步减小，由于反射和与天线互耦的潜力这传统上是被避免的。
这个反应区域内的测量有时被称为非常近场测量。这种平面的非常近场天线测量***的示例是产品(加拿大的EMSCAN公司)，其包括印刷在45×45cm印刷电路板(PCB)上的1600个可快速切换的探针的阵列。使用平面波谱(PWS)展开将通过探针测量的正交H场分量(幅度和相位)变换为半球中的远场图案。虽然得益于在探针之间极其快速的电子切换(而不是在腔室中的AUT的机械运动)，但是天线非常近场区域中印刷的探针阵列的存在产生相互耦合效应，其以至少两种方式改变天线周围的场。首先，由于扫描器PCB具有在实体接地平面上的半环探针阵列，通过在介质中引入不连续来干扰近场并施加新的边界条件，因此产生接地平面效应。第二，由于扫描器PCB和个别测量探针加载了AUT，改变了其辐射性能；例如，改变其输入阻抗，所以产生了互耦效应。互耦效应是依赖于AUT并且难以补偿。当在非常近场区域中测量时，不期望忽略扫描器PCB对AUT的负载效应，特别是在例如低于1GHz的低频。
因此，为了提高所得到的远场结果的准确性，本领域需要用于从非常近场或反应性近场测量中减轻或去嵌入这些效应的***和方法。
发明内容
本发明涉及扫描器***和校准和/或校正使用被测天线(AUT)的非常近场扫描器进行的测量的方法。扫描器可以包括使用集成探针阵列的设备，其中的集成探针被电子切换以捕获在AUT附近的非常近场的数据，并将近场数据变换为远场数据。这样的测量装置可以在反应性近场中使用磁场(H场)探针在两个正交方向上测量H场的相位和振幅，并使用远场变换将该数据投影到远场方法，诸如平面孔径分布到角谱变换或平面波谱(PWS)变换。
一方面，本发明可以包括一种校准扫描器的方法，该扫描器包括集成测量探针的扫描器板阵列，集成测量探针被电子切换以从AUT捕获近场数据并且各自具有从探针到板输出的RF路径，该方法包括如下步骤：
(a)将校准探针与测量探针中的一个进行耦接，以在测量探针内产生已知强度的磁场。
(b)测量通过测量探针和校准探针的功率，并通过消除校准探针的影响来隔离从测量探针到电路板输出的RF路径的影响；
(c)对于每个测量探针重复步骤(a)和(b)；
(d)创建用于阵列的校准文件，其包括对于每个测量探针RF路径的校正。
每个测量探针可以包括具有传导RF振幅输出的H场半环探针。每个环路内的H场强度可以通过测量通过环路以及使用矢量网络分析器耦接到环路的校准探针的功率，从扫描器板的传导RF振幅输出进行估计。
另一方面，本发明可以包括考虑扫描器的散射效应的校正测量的方法，其中通过将从扫描器实际获得的测量与从软件模拟获得的结果进行比较来计算所述校正。
另一方面，本发明可以包括考虑扫描器对AUT的负载效应的校正测量的方法，其中通过将从扫描器实际获得的测量值与经验测试获得的结果进行比较来计算校正。
另一方面，本发明可以包括AUT测量设备，该AUT测量设备包括进行电子切换以捕获AUT附近的近场数据的集成探针阵列，其中该设备包括适于使用远场变换方法将近场数据变换到远场的处理器，并且实现本文所描述或要求的任何一个或所有校准或校正步骤。
附图说明
在附图中，相同的元件被指定相同的附图标记。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在本发明的原理上。另外，所描绘的每个实施例仅是利用本发明的基本概念的许多可能的布置中的一个。附图简要描述如下：
图1是校准方法的一个实施例的示意性流程图。
图2示出扫描器板中的单个测量探针以及耦合的次级环形天线的示意图。
图3示出通过图2所示的耦合所创建的两个级联子***及其相关联的S矩阵的示意图。
图4示出用于模拟相距2mm放置的两个探针的响应的模型的示意图。
图5示出相距2mm的两个探针的测量响应与模拟响应。
图6是校准方法的另一实施例的示意流程图。
图7是校准方法的另一实施例的示意流程图。
图8示出预测的远场图案是准确的立体角。
图9示出在不同频带天线测量设备相对腔室误差的分布的示意图。
图10是本发明的***的处理引擎的一个实施例的示意图。
具体实施方式
本发明旨在与使用电子切换的集成探针阵列的天线测量设备一起使用。示例设备包括美国专利No.8,502,546中描述的那些，允许为了所有目的将其全部内容通过引用并入本文。所附权利要求的范围不应受到说明书或示例中阐述的具体实施例的限制，而应当给出与说明书整体一致的最广泛的解释。
本发明可以包括使用集成探针阵列的天线测量设备，其中的集成探针被电子切换以捕获在AUT附近的近场数据，并将它们转换成远场数据。这种测量设备使用磁场(H场)探针在反应性近场中测量两个正交方向上的H场的相位和幅度，并使用远场变换方法(诸如，平面孔径分布到角谱的变换或平面波谱(PWS)变换)将该数据投影到远场。
由于至少以下三个原因，对于精确近场和远场预测的***的校准是困难的。首先，从环路中的H场到扫描器板的RF输出的探针响应(路径损耗)从一个探针到另一个探针显著变化。其次，扫描器板本身的存在会干扰AUT周围的场，并可能影响探针读数以及远场预测。第三，扫描器探针及其***本身可以负载AUT，从而改变其辐射性能。
本发明的方面包括适于考虑个别测量探针可变性和测量探针阵列的可预测的耦合效应的这种校准和/或校正近场数据以及所得到的远场预测的设备和方法。
在一个实施例中，校准方法包括去嵌入(de-embedding)方法，并且与扫描器相结合地实现，该扫描器包括依次打开的H场测量探针(半环路)印刷阵列，以捕获链接在每个探针中的H场。校准过程的第一步是从扫描器板输出端的传导RF振幅估计每个环路内的H场强度。这种校准是必要的，因为从扫描器板上的不同环路到RF输出的RF路径(路径损耗)显著不同并且对制造公差非常敏感。由于环路中难以产生已知的H场，并且没有通常可用的设备来测量H场和RF幅度之间的比率，所以该校准也变得困难。
本发明提供了一种校准方法，该方法测量通过带有H场半环测量探针天线(10)的扫描器板(5)与包括次级环形天线(12)的校准探针的组合的功率，并且通过消除次级环形天线(12)的影响来去嵌入路径损耗。算法示出在图1。这个概念在图2中示意性示出。通过将次级环形天线(12)耦接到扫描器探针(10)，能够访问超集(扫描器板和次级环形天线的组合)的两个端口“a”(14)和“c”(16)用于使用矢量网络分析仪(VNA)进行测量。通过考虑图3中示意性示出的两个可替换的子***能够提取从探针的馈电点“b”(18)到板的输出端“a”(14)的RF路径的影响。为了简单起见，在一个实施例中，次级环形天线(12)被选择为与H场探针(10)相同。图3中的子***2对于所有探针位置几乎相同。在不相同的情况下，扫描器环形探针的响应的任何变化可归因于其唯一的扫描器路径损耗，因此所有探针都可以被视为相同。因此，通过考虑图3所示的子***级联，子***1的网络参数可以从图2的***的网络参数导出。
等式(1)中的T矩阵是图1和图2中两端口***的传输矩阵，并且可以从S参数矩阵导出。由T'表示的***表示如图3所示的点“b”和“c”之间的两个耦合环路。一旦使用VNA测量出T”的值，就易于计算RF路径(矩阵T)，并且使用公知的商用模拟软件从模拟估计出T'。图4示出测量耦合对比图4的双天线链路中的模拟耦合。可以看出，可以实现约±1dB内的链路损耗估计。
在自动校准过程中，XYZ定位***用于在扫描板(5)上的每个单独探针(10)上方精确定位次级环形天线(12)，以便累积所需的T矩阵。最后，在图1中的点“b”(18)处的环路中的A/m的比率(AF或天线因子)在可以从模拟获得的等式2中给出：
如果环路以相同的方式馈送到50Ω的传输线路中，则传输线路开始处的RF振幅的了解可以提供环路中的H场的了解。估计的矩阵T与AF一起完全表征了图3的扫描器***，然后可以用于校准扫描器板上每个探针的输出。
如上所述，介质中扫描器板(10)的***通过施加新的边界条件来扰乱近场。作为一个极端的例子，如果电介质被空气替代，则忽略测量探针的影响，并且假设板非常大，扫描器能够近似为无限大的接地平面。这样的接地平面的存在减少了E场的切向分量，并使与其表面相切的H场加倍。在一个实施例中，为了去嵌入扫描器板的实际效果，执行两个调整级别中的至少一个，并且优选地两者。首先，如图6所示，对于许多非易失性参考天线(覆盖整个300MHz-6GHz频率范围)，将使用测量设备所测量的H场分布与使用公知且商用模拟软件所获得的模拟结果进行对比，并相应地进行调整。由于大接地平面效应，磁场的分布与自由空间的分布相似，只有振幅显著受影响。其次，如图7所示，在每个频率点，利用远场到近场变换所估计出的总辐射功率(TRP)可以校正为使用可靠的电波暗室在标准测量中实际测量的值。这将捕获在近场分布调整中未处理的任何影响。
另外，在AUT的近场区域中测量探针本身以及相关硬件的存在可以通过进行负载来潜在地改变天线的辐射性能。这种负载效应的最明显的例子是AUT输入阻抗的变化。与其它效应不同，这种负载效应是依赖于AUT的，因此非常难以去嵌入。增加AUT与扫描器板之间的距离能够最小化这种效应；然而，这将减少远场结果准确的立体角度。这主要是由于如图8所示，超出从z轴的该立体角(θ0)的天线辐射未被扫描器捕获：
在一个实施例中，为了抵消这种不需要的负载效应，可以采取经验方法。测量探针天线可以在电波暗室中经验地测试，并且测试结果用于校正从扫描器获得的测量结果。例如，在一个示例中，在电波暗室中进行的标准测量过程中表征来自各种商用源的47个天线。研究中包括各种天线拓扑结构，诸如单极、偶极、平面倒F、环形、贴片等。天线也在EMSCANRFxpertTM单元上测量，数据用于填充来自总辐射功率(TRP)的大约1000个测量点的校正因子，以考虑扫描器板对AUT的负载效应。将该经验数据与实际的扫描器结果进行比较，并计算特定测量探针的任何给定频率的平均校正因子。这些校正因子然后可以用在随后使用测量天线的测量中。
在一个实施例中，本文所解释的至少一个，优选地，每个不同级别的校正和校准应用于从测量设备实际获得的近场测量结果。图9示出了与从电波暗室中测试获得的控制数据相比较的测量效率的误差分布。在绘制图9中的误差时，将300MHz-6GHz频带划分为三个分开的频带，并显示每个频段的测量误差的直方图。表I总结误差的统计属性。这表明对于低于1GHz的低频，误差分布在0dB附近，标准偏差约为1.5dB。在1GHz以上，误差也分布在0dB左右，但误差的标准差更低，小于1dB。
表I.不同频带中的误差统计
σ是测量误差的标准差。
N是该频道的测量样本的数量。
本发明的实施例涉及去嵌入一种或所有上述效应的效果的方法。测量和模拟结果的组合用于估计探针响应和RF路径损耗。然后将频带上的参考天线的测量与模拟结果进行比较，从而校正测量设备的近场读数。将第二层校正应用于这些参考天线的预测远场总辐射功率(TRP)值，从而匹配在电波暗室中获得的控制数据。最后，通过最小化误差的经验方法来最小化扫描器板对AUT的负载效应。在一个实施例中，效率测量误差的标准偏差可以降低到低于1.5dB。
参考能够通过计算机程序指令实现的步骤或方法来描述本发明的方面。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令，创建实现指定功能/动作的装置。在一个实施例中，在图10中示意性示出了处理引擎，包括可操作地连接到扫描器(101)以及图形用户界面GUI和显示器(102)的控制器(100)。来自扫描器板的输出进入信道选择器和采样器模块(104)，然后到达振幅和相位校正模块(106)，其中路径损耗校正可以随着对于近场数据的校正以考虑接地平面散射效应一同发生。数据转换和插值模块(108)通向引起辐射图和辐射功率测量(112)的平面波频谱变换模块(110)。然后在模块(114)中进行AUT负载的远场校正，以及散射效应的远场校正。
参照根据本发明的实施例的方法、装置(***)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各个方面。应当理解的是，流程图和/或框图的每个块以及流程图和/或框图中的块的组合能够通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令，创建用于实现流程图和/或框图的块或多个块中指定的功能/动作的装置。
附图中的流程图和框图示出根据本发明的各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个块可以表示代码的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意的是，在一些替代的实施方式中，块中注释的功能可能不按照图中所示的顺序进行。例如，依次示出的两个块实际上可以基本上同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行块，这取决于所涉及的功能。还应当注意的是，框图和/或流程图和的每个块，框图和/或流程图说明中的块的组合能够通过执行指定功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
附加于本说明书的权利要求中的所有手段或步骤以及功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括与具体要求保护的其它要求保护的元件相结合执行该功能的任何结构、材料或动作。
说明书中对“一个实施例”，“实施例”等的参考表示所描述的实施例可以包括特定方面、特征、结构或特征，但是并不是每个实施例必须包括该方面、特征、结构或特性。此外，这样的短语可以但不一定是指在说明书的其他部分中所引用的相同实施例。此外，当结合实施例描述特定方面、特征、结构或特性时，无论是否明确描述，利用其它实施例来影响或连接这些模块、方面、特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。换句话说，任何模块、元件或特征可以与不同实施例中的任何其他元件或特征组合，除非存在明显或固有的不兼容性，或者其被特别地排除。
还应注意的是，起草权利要求以排除任何可选要素。因此，本声明旨在作为使用排他性术语的先行基础，例如“仅”，“仅”等等，与引用声明要素或使用“否定”限制有关。术语“优选地”、“优选的”、“优选”、“可选地”、“可以”，以及类似的术语用于表示所涉及的项目、条件或步骤是本发明的可选(非必需)特征。
单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数参考，除非上下文另有明确规定。术语“和/或”是指项目、项目的任何组合、或与该项目相关联的所有项目中的一个。本领域技术人员容易理解短语“一个或多个”，特别是在其使用的上下文中阅读时。
在允许的情况下，将以下参考文献并入本文作为参考，如同将其全部复制。
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[2]C.H.Schmidt,M.M.Leibfritz和T.F.Eibert,“Fully Probe-Corrected Near-Field Far-Field Transformation Employing Plane Wave Expansion and DiagonalTranslation Operators(利用平面波展开和对角变换算子进行全探针校正的近场远场变换),”IEEE Transactions on Antennas and Propagation(IEEE天线与传播汇刊),第56卷,第3期,737-746页,2008年3月。
[3]Emscan Corporation–Rfxpert Brochure and Datasheet(RFX2-Datasheet-v1.pdf)
[4]http://www.satimo.com/sites/www.satimo.com/files/StarLab_2014_bd_0.pdf
[5]J.J.H.Wang,“An examination of the theory and practices of planarnear-field measurement(平面近场测量的理论和实践的检验),”IEEE Transactions onAntennas and Propagation(IEEE天线与传播汇刊),第36卷,第6期,746-753页,1988年6月。
[6]美国专利No.7672640
[7]美国专利No.8502546

Claims (10)

1.一种校准扫描器的方法，所述扫描器包括被电子切换以从AUT捕获近场数据的集成的测量探针的扫描器板阵列，并且具有板输出，所述方法包括以下步骤：
(a)将校准探针与所述测量探针中的一个测量探针耦接；
(b)测量通过所述测量探针和所述校准探针的功率，并通过消除所述校准探针的影响来隔离从所述测量探针到所述板输出的RF路径的影响；
(c)对于每个测量探针重复步骤(a)和(b)；
(d)创建针对阵列的校准文件，其包括针对每个测量探针RF路径的校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量探针包括具有RF振幅输出的H场半环探针；通过测量通过环路和利用矢量网络分析仪耦合到所述环路的校准探针的功率，从所述扫描器板的传导RF振幅输出来估计每个环路内的H场强度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述校准探针与所述测量探针相同。
4.一种校正扫描器的输出的方法，所述扫描器包括集成的测量探针的扫描器板阵列，所述测量探针被电子切换以捕获来自AUT的近场数据以考虑扫描器的散射效应，其中通过比较实际从扫描器获得的H场分布测量结果与从软件模拟获得的结果来计算所述校正。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：将使用近场到远场变换所估计的总辐射功率(TRP)校正为在消声室的标准测量中实际测量的值。
6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括权利要求1的校准步骤。
7.一种校正扫描器的输出的方法，所述扫描器包括集成的测量探针的扫描器板阵列，所述测量探针被电子切换以捕获来自AUT的近场数据，以考虑测量探针对AUT的负载效应，其中通过比较从扫描器实际获得的测量结果与电波暗室中经验测试获得的结果来计算所述校正。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括权利要求1的校准步骤。
9.根据权利要求7或8所述的方法，还包括权利要求5或6所述的校正步骤。
10.一种天线测量设备，包括被电子切换以捕获在AUT附近的近场数据的集成探针阵列，其中所述设备包括处理器，该处理器适于使用远场变换方法将近场数据变换为远场，并且实现权利要求1至10中任一项所述的校准或校正步骤。
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