CN107547152B - 空中传输功率探测器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供空中传输OTA功率探测器(1,20,50)，其用于测量具有至少两种不同极化的无线信号(2,21)的功率，其包括：用于每种极化的第一功率探测器(3,4,22,23,51,52)，每个功率探测器包括用于检测无线信号(2,21)的信号检测器(5,6,25,26,27)，其中信号检测器(5,6,25,26,27)是单极化的，并且信号检测器(5,6,25,26,27)的极化面(7,8,28–30)设置为彼此成大于0°的角度，信号检测器(5,6,25,26,27)的主辐射矢量(9,10,31–33)彼此平行，第一功率探测器(3,4,22,23,51,52)各自包括功率测量装置(11,12,43–45)，功率测量装置(11,12,43–45)被配置为测量所检测到的无线信号(2,21)的功率并输出相应的测量信号(13,14,46–48,55–58)。此外，本发明提供了一种相应的方法。

Description

空中传输功率探测器和方法

技术领域

本发明涉及空中传输(over the air，OTA)功率探测器以及用于测量具有至少两种不同极化的无线信号的功率的对应方法。

背景技术

尽管本发明适用于需要测量无线信号的功率的任何***，但是将结合被测试装置来描述本发明，所述被测试装置为能够实现多输入多输出技术(MIMO)的元件并且遵循802.11ad标准。

在空中传输通讯中，特别是像在手机网络或无线计算机网络那样的应用中使用的频率已经不断增大到GHz范围。使用如此高的频率对用于评价和监测这样的通讯设备的相应的测量设备提出了新的挑战。

如此高的频率的一种含意就是例如将电缆连接到被测试装置通常会影响被测试装置的关于射频发射的情况。这意味着必须在没有将电缆物理连接到被测试装置的情况下评估被测试装置。

为了允许评价这些装置，文件US2015/0035707A1中公开了一种印刷电路板上用于接收高频信号的槽线天线。

需要以高精度和尽量少的硬件来测量高频信号。

发明内容

本发明用具有以下特征的空中传输(OTA)功率探测器和方法解决了这种需要。

用于测量具有至少两种不同极化的无线信号的功率的对应空中传输OTA功率探测器包括用于每种极化的第一功率探测器，每个功率探测器包括用于检测无线信号的信号检测器。信号检测器是单极化的，而且信号检测器的极化面被设置为彼此成大于0°的角度，并且信号检测器的主辐射矢量(即，表示主辐射/接收方向的矢量)彼此平行。此外，每个第一功率探测器均包括功率测量装置，该功率测量装置被配置为测量所检测到的无线信号的功率并输出相应的测量信号。

此外，用于空中传输(OTA)测量具有至少两种不同极化的无线信号的功率的方法包括：对于每种极化用在相应第一功率探测器中的一个单信号检测器检测无线信号，其中所述信号检测器的极化面被设置为彼此成大于0°的角度，并且其中所述信号检测器的主辐射矢量彼此平行。所述方法还包括：用每个第一功率探测器中的一个功率测量装置测量所检测到的无线信号的功率，并输出相应的测量信号。

本专利申请基于如下发现：接触式测量高频信号不是一种选择，因为被测试装置会受到布线的影响。

因此，本发明提供两个功率探测器，每个功率探测器检测处于至少两种不同极化中的一种极化中的无线信号，并测量处于相应极化中的无线信号的功率水平。

参照附图，本发明的另外的实施方式是进一步的从属权利要求和如下描述的主题。

在可能的实施方式中，功率测量装置被提供为基于二极管的功率测量装置。基于二极管的功率测量装置例如可以包括二极管在正向方向的简单布置以及阴极和地之间的电容器，它们一起形成整流器并且一起将无线信号转换为测量电压。功率测量装置还可以包括放大器、模数转换器、计算功率用的信号处理器等。

在可能的实施方式中，功率探测器中的每一个均可以包括被配置为将所接收到的无线信号降频转换为相应的降频测量信号的混合器，其中，功率测量装置被配置为测量相应的降频测量信号的功率。所接收到的无线信号的降频混合或降频转换提供具有降低的频率的信号，该信号比原高频信号更容易分析。混合器例如可以配置为使所接收到的802.11ad无线信号从GHz范围降频混合或降频转换为KHz范围中的中频(IF)范围。

在可能的实施方式中，信号检测器可以包括平面天线，平面天线中的每个平面天线的极化面可以与相应极化的面对应。这样的天线例如可以是所谓的Vivaldi天线。Vivaldi天线在它们的主辐射矢量方向上提供极少的反射。另外，Vivaldi天线具有宽带特性，因此适用于超宽带信号。它们还容易使用PCB生产用的常见方法制造。此外，它们可以使用微带线建模法容易地与馈线进行阻抗匹配。

在另一可能的实施方式中，功率探测器的朝着信号检测器的主辐射方向(即朝向被测试装置)的至少一些表面，有利的是所有表面可以适用于吸收电磁辐射，而不反射电磁辐射。从而，阻止了朝被测试装置的反射。这就增加了测量精度。

在另一可能的实施方式中，功率探测器的朝着信号检测器的主辐射方向的至少一些表面，有利的是所有表面可以涂覆有吸收电磁辐射的涂料，和/或覆盖有吸收电磁辐射的吸收材料，和/或由吸收电磁辐射的吸收材料制成。从而可以进一步减少朝被测试装置的反射，从而增加测量精度。

在另一可能的实施方式中，使功率探测器的朝着信号检测器的主辐射方向的至少一些表面、50％的表面，特别是超过70％或超过90％的表面，特别是所有表面偏离主辐射矢量至少30°，优选至少45°，最优选至少60°。这进一步帮助减少朝被测试装置的反射，进一步增加测量的精度。

在另一可能的实施方式中，功率探测器的朝着信号检测器的主辐射方向的至少一些表面，优选所有表面可以朝信号检测器的主辐射方向逐渐减小(tapered)。这减少了朝被测试装置的反射，从而增加了测量精度。此外，这提供了OTA功率探测器的小的占地面积(footprint)。这增加了使用的灵活性。

在可能的实施方式中，OTA功率探测器可以包括：一个用于第一极化的第一功率探测器和一个用于第二极化的第一功率探测器，第二极化与第一极化正交，其中第一功率探测器的极化面各自与相应的极化平行。在仅有两个第一功率探测器的情况下，可以通过提供探测器的彼此正交的极化面来容易地分析正交极化信号。

在可能的实施方式中，用于第一极化的第一功率探测器和用于第二极化的第一功率探测器可以彼此交错，从而使它们包括相同的主辐射矢量。尤其是可以使Vivaldi天线交错，从而使它们相应的主辐射矢量彼此重叠并且指向同一个方向。这种机械设置提供极其紧凑的OTA功率探测器。

在可能的实施方式中，OTA功率探测器可以包括至少一个用于第一极化的第二功率探测器，其尤其可以为与第一功率探测器相同的类型。用于第一极化的第二功率探测器的信号检测器的极化面平行于第一极化设置，并且用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器的主辐射矢量可以彼此平行。因此，用于第一极化的探测器在相同的方向平行取向。这种设置允许监测由两个探测器限定的测量空间的边界处的无线信号的功率水平。然后可以容易地计算两个功率探测器之间的功率水平值。

在可能的实施方式中，用于第二极化的第一功率探测器可以定位于用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器之间。用于第二极化的第一功率探测器的极化面可以平行于，尤其可以位于由用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器的主辐射矢量限定的面。此外，用于第二极化的第一功率探测器的主辐射矢量与用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器的主辐射矢量可以彼此平行。这意味着所有功率探测器指向同一个方向，即它们的主辐射矢量指向同一个方向。此外，用于第一极化的功率探测器例如可以在用于第二极化的功率探测器的每一侧放置一个。这种构造例如可以称为H构造。

在可能的实施方式中，OTA功率探测器可以包括至少一个用于第二极化的第二功率探测器，其尤其可以为与第一功率探测器相同的类型。用于第二极化的第二功率探测器的信号检测器的极化面可以平行于第二极化设置。此外，用于第二极化的第一功率探测器和第二功率探测器的主辐射矢量可以彼此平行。用于第一极化的功率探测器例如可以以与用于第一极化的功率探测器相同的方式设置。如果使用四个功率探测器(每种极化两个)，它们可以设置成从正面(即从主辐射矢量所指的方向)面向功率探测器看时像正方形。这种设置允许限定二维监测空间。然后可以计算功率探测器之间的功率水平值。

在可能的实施方式中，OTA功率探测器可以包括测量信号处理单元，其被配置为组合测量信号中的至少两个并输出组合后的测量信号。结合后的测量信号例如可以是第一和第二功率探测器的测量信号的组合。这样的组合后的测量信号例如可以提供关于上述监测空间中的功率水平的信息。术语“组合”可以理解为基于两个输入值计算结果的任何数学形式。组合例如可以包括加、减、乘、除或其任何组合。

在可能的实施方式中，测量信号处理单元可以配置为计算并输出处于所述极化中的一种极化中的第一功率探测器和第二功率探测器的测量信号的平均值。计算平均值允许提供两个功率探测器之间的中心位置处的估计功率水平。

在可能的实施方式中，测量信号处理单元可以配置为计算并输出加权平均值，其中测量信号中的每一个测量信号的加权因子是预定的。使用加权平均允许移动监测空间中被计算估计功率水平的点。因此，加权因子取决于监测空间中点相对于监测空间的中心的位移。

附图说明

为了更充分了解本发明及其优点，现在结合附图参照下面的描述。下面使用示例性实施方式更详细地说明本发明，这些示例性实施方式在附图的示意图中予以说明，在附图中：

图1表示根据本发明的OTA功率探测器的实施方式的结构图；

图2表示根据本发明的OTA功率探测器的另一实施方式的结构图；

图3表示根据本发明的OTA功率探测器的另一实施方式的结构图；以及

图4表示根据本发明的方法的实施方式的流程图。

在图中，除非另有说明，相同的附图标记表示相同的元件。

附图标记列表

1，20，50-空中传输功率探测器；2，21-无线信号；3，4，22，23，51，52-第一功率探测器；5，6，25–27-信号检测器；7，8，28–30-极化面；9，10，31–33-主辐射矢量；11，12，43–45-功率测量装置；13，14，46–48，55–58-测量信号；34–36-混合器；37–39-接收到的无线信号；40–42-降频测量信号；24，53，54-第二功率探测器；59-测量信号处理单元；60-加权平均值；100，101-被测试装置；S1–S3-方法步骤。

具体实施方式

图1表示具有两个第一功率探测器3，4的OTA功率探测器1。表述第一和第二功率探测器仅用于区分在相同极化中使用的探测器。即第一和第二功率探测器组合在一起，因为它们用于检测具有相同极化的信号。为了在下面描述中的简便起见，将省略关于功率探测器的术语“第一”和“第二”。由附图和相应的描述将清楚的是，具有平行极化面的探测器是一组第一和第二功率探测器。

OTA功率探测器1用于检测由被测试装置100发射的无线信号2，该被测试装置100是符合802.11ad的装置。

功率探测器3，4各自包括相应的信号检测器5，6。图1中的信号检测器都设置成Vivaldi天线5，6的形式。在图1中，示出了Vivaldi天线5，6的极化面7，8。Vivaldi天线5，6彼此正交，因此Vivaldi天线5，6的极化面彼此正交，即它们被设置为彼此成90°角。然而，主辐射矢量9和8彼此平行。术语“主辐射矢量”在这种情况下是指Vivaldi天线5，6的最高灵敏度的方向。

每个功率探测器3，4均包括功率测量装置11，12，该功率测量装置11，12耦合到相应的Vivaldi天线5，6并且在相应的Vivaldi天线5，6接收到的无线信号2时测量该无线信号2的功率。Vivaldi天线5，6是共面天线，并且辐射和接收它们的延伸所在面(即相应的极化面7，8)中的信号。

因此，图1的设置允许测量无线信号2在两个彼此正交的极化面7，8中的功率。

图2表示另一OTA功率探测器20的结构图，该功率探测器检测由被测试装置101发射的无线信号21，该被测试装置也是符合802.11ad的装置。与OTA功率探测器1相比，OTA功率探测器20包括三个功率探测器22，23，24。此外，功率探测器22，23，24各自包括用于将接收到的无线信号37，38，39降频转换为相应的降频测量信号40，41，42的混合器。然后将降频测量信号40，41，42提供给功率测量装置43，44，45。

功率探测器22和24形成一组第一功率探测器22和第二功率探测器24，二者在相同的第一极化中都是灵敏的。功率探测器22，24的极化面28，30彼此平行，并且主辐射矢量31，33也彼此平行。

功率探测器23设置在功率探测器22，24之间的空间中，并且被设置为与功率探测器22，24正交。因此，功率探测器23对另一第二极化灵敏。此外，极化面29与极化面28，30正交，而主辐射矢量32与主辐射矢量31，33平行。事实上，主辐射矢量32位于由两个主辐射矢量31，33限定的面(未明确示出)上。

在面向主辐射矢量31，32，33看时，即在俯视图中，该设置将看起来像H，因此可以称为H形式或H设置。

图2的设置允许测量无线信号21的功率，例如用用于恰好在发射无线信号21的天线的主辐射方向的第二极化的功率探测器23。此外，与图1的设置相比，通过提供两个功率探测器22，24，可以在两个位置测量用于第一极化的无线信号21的功率。

已经说明了主辐射矢量32位于由两个主辐射矢量31，32限定的面(未明确示出)上。这意味着对两个功率探测器31，33测量的功率水平的求平均将提供主辐射矢量32处的功率水平的良好估计值，但是是针对第一极化。理解的是，计算平均数即平均值也可以包括计算加权平均值。

因此，图2的设置允许测量在发射无线信号21的天线的主辐射方向上的无线信号21的两种极化的精确功率水平。

尽管没有明确示出，应理解的是功率探测器31，32，33可以包括或连接至需要测量、计算或以其他方式确定所需的功率水平的任何装置。

图3示出了OTA功率探测器50的俯视图，即面向功率探测器51，52，53，54的主辐射矢量看。

如图2中，功率探测器51，53形成一组用于第一极化的第一功率探测器51和第二功率探测器53。与图2相比，OTA功率探测器50还包括用于第二极化的两个功率探测器52，54，第二极化与第一极化正交。

功率探测器器51，53和功率探测器52，54设置为正方形。因此，功率探测器51，53设置在正方形的相对边上，而功率探测器52，54也设置在正方形的相对边上，但是与功率探测器器51，53正交。

作为示例并且仅仅示意性地，在功率探测器器51，52，53，54的正方形设置的中心提供了测量信号处理单元59。该测量信号处理单元59接收单个测量信号55，56，57，58并且计算每种极化的平均值。然后，将计算的结果提供作为加权平均值60，用于进一步处理。

图3的设置比图2的设置更灵活，因为通过使用加权平均值，计算加权平均值60的点可以在由功率探测器器51，52，53，54限定的正方形区域中变化。

用于每种极化的加权因子例如可以提供为0和1之间的值，其中相应的两个加权因子的和必须等于1。

如果要计算中心点的功率，则例如可以通过下式具有常数因子0.5来提供平均功率：

P＝0.5a+0.5b

其中，p为平均功率值，a是第一功率探测器的测量的功率水平，b是第二功率探测器的测量的功率水平。

可以通过根据上述规则改变因子0.5来移动测量平均值的点，例如：

P＝0.7a+0.3b

图4表示用于空中传输(OTA)测量具有至少两种不同极化的无线信号2，20的功率的方法的流程图。

在第一步S1中，用在用于每种极化的相应第一功率探测器3，4，22，23，51，52中的一个单信号检测器5，6，25，26，27检测无线信号2，20。

如上面已经说明的，信号检测器5，6，25，26，27的极化面7，8，28–30被设置为彼此成大于0°的角度，并且信号检测器5，6，25，26，27的主辐射矢量9，10，31–33彼此平行。

在步骤S2中，检测到的无线信号2，20的功率用第一功率探测器3，4，22，23，51，52的每一个中的一个功率测量装置11，12，43-45测量。

最后，输出相应的测量信号13，14，46-48，55-58，例如用于进一步处理测量结果。

由于应对高频信号有挑战，因此可以将接收到的无线信号37，38，39降频转换为相应的降频测量信号40，41，42。

然后，将步骤S2的测量用于相应的降频测量测量信号40，41，42。

为了提供对无线信号2，21的完整分析，可以检测具有两种正交极化的无线信号2，21，其中相应的第一功率探测器3，4，22，23，51，52被提供为使得它们的信号检测器5，6，25，26，27的极化面7，8，28–30彼此正交。

如上面已经说明的，可以将测量信号13，14，46-48，55-58组合起来，并且可以提供相应的组合后的测量信号60。组合例如可以包括计算并输出平均值，例如处于所述极化中的一种极化中的第一功率探测器3，4，22，23，51，52和第二功率探测器24，53，54的测量信号13，14，46-48，55-58的加权平均值。

虽然本文已经示出和描述了特定的实施方式，但是本领域普通技术人员懂得的是存在各种替换和/或等效实现方式。应懂得的是，示例性实施方式仅仅是示例，并不意图以任何方式限制范围、适用性或构造。相反，前述发明内容和具体实施方式将为本领域技术人员提供实现至少一种示例性实施方式的方便路线图，应理解的是可以在不背离权利要求书给出的范围及其法律等同的情况下，对示例性实施方式中描述的元件的功能和设置进行各种改变。一般而言，本申请意在覆盖本文讨论的特定实施方式的任何改编或变型。

在前述具体实施方式中，出于简化本公开的目的，将各种特征在一个或多个示例中组合在一起。要理解的是，上述描述意在是示例性的，而不是限制性的。意在覆盖可能包括在本发明的范围内的所有替换物、修改和等效物。在阅读上述说明书后许多其他示例将对本领域技术人员而言显而易见。

用在前述说明书中的具体名词是用于提供对本发明的彻底理解。然而，鉴于本文提供的说明书，对于本领域技术人员而言将显而易见的是为了实施本发明不需要具体细节。因此，前述对本发明的特定实施方式的描述是出于举例说明和描述的目的而给出的。它们并不意图是详尽的，或者将本发明限制到所公开的具体形式；显然，鉴于上述教导许多修改和变化是可能的。为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，选择并描述了实施方式，从而使本领域技术人员能够最佳地利用本发明以及具有适用于预期特定用途的各种修改的各种实施方式。在整个说明书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”分别用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等同物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并不意图对它们的对象施加数字要求或者建立它们的对象的某种重要排序。

Claims (18)

1.一种空中传输功率探测器，其用于测量具有至少两种不同极化的无线信号的功率，所述空中传输功率探测器包括：

用于每种极化的第一功率探测器，每个功率探测器包括用于检测无线信号的信号检测器，其中信号检测器是单极化的，并且其中信号检测器的极化面设置为彼此成大于0°的角度，并且其中信号检测器的主辐射矢量彼此平行，

第一功率探测器各自包括功率测量装置，所述功率测量装置被配置为测量所检测到的无线信号的功率并输出相应的测量信号。

2.根据权利要求1所述的空中传输功率探测器，其中功率测量装置被设置为基于二极管的功率测量装置。

3.根据权利要求1或2所述的空中传输功率探测器，功率探测器各自包括混合器，所述混合器被配置为将所接收到的无线信号降频转换为相应的降频测量信号，其中功率测量装置被配置为测量相应降频测量信号的功率。

4.根据权利要求1或2所述的空中传输功率探测器，其中信号检测器包括平面天线，并且其中每一个平面天线的极化面与相应极化的面对应。

5.根据权利要求1或2所述的空中传输功率探测器，其包括一个用于第一极化的第一功率探测器和一个用于第二极化的第一功率探测器，第二极化与第一极化正交，其中第一功率探测器的极化面各自与相应的极化平行。

6.根据权利要求5所述的空中传输功率探测器，其中用于第一极化的第一功率探测器和用于第二极化的第一功率探测器彼此交错，从而使它们包括相同的主辐射矢量。

7.根据权利要求5所述的空中传输功率探测器，其包括至少一个用于第一极化的第二功率探测器，

其中用于第一极化的第二功率探测器的信号检测器的极化面平行于第一极化设置，并且

其中用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器的主辐射矢量彼此平行。

8.根据权利要求7所述的空中传输功率探测器，其中用于第二极化的第一功率探测器定位于用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器之间，并且其中用于第二极化的第一功率探测器的极化面平行于由用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器的主辐射矢量限定的面。

9.根据权利要求8所述的空中传输功率探测器，其中用于第二极化的第一功率探测器以及用于第一极化的第一功率探测器和第二功率探测器的主辐射矢量彼此平行。

10.根据权利要求7所述的空中传输功率探测器，其包括至少一个用于第二极化的第二功率探测器，

其中用于第二极化的第二功率探测器的信号检测器的极化面平行于第二极化设置，并且

其中用于第二极化的第二功率探测器和第一功率探测器的主辐射矢量彼此平行。

11.根据权利要求1或2所述的空中传输功率探测器，其包括测量信号处理单元，所述测量信号处理单元被配置为组合测量信号中的至少两个并输出组合后的测量信号。

12.根据权利要求11所述的空中传输功率探测器，其中测量信号处理单元被配置为计算并输出处于所述极化中的一种极化中的第一功率探测器和第二功率探测器的测量信号的平均值。

13.根据权利要求12所述的空中传输功率探测器，其中测量信号处理单元被配置为计算并输出加权平均值，并且其中每一个测量信号的加权因子是预定的。

14.一种用于空中传输测量具有至少两种不同极化的无线信号的功率的方法，所述方法包括：

使用用于每种极化的相应第一功率探测器中的一个单信号检测器检测无线信号，其中信号检测器的极化面被设置为彼此成大于0°的角度，并且其中信号检测器的主辐射矢量彼此平行；

使用在每一个第一功率探测器中的一个功率测量装置测量所检测到的无线信号的功率；以及

输出相应的测量信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其还包括：

将所接收到的无线信号降频转换为相应的降频测量信号，其中测量步骤包括测量相应的降频测量信号的功率；和/或

检测具有两个正交极化的无线信号，其中相应第一功率探测器被提供为使得它们的信号检测器的极化面彼此正交。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其包括：组合测量信号中的至少两个并输出组合后的测量信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中组合步骤包括计算并输出第一功率探测器和第二功率探测器的处于一种极化中的测量信号的平均值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中计算平均值包括计算加权平均值，其中每一个测量信号的加权因子是预定的。

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