CN112213566A - 用于在间接远场***中进行近场重建的方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在间接远场***中进行近场重建的方法和***。所述方法包括如下步骤：在适当几何定义的距离(R0)处针对直接球形近场***中的正交场分量测量参考天线(14)，针对间接远场***中的正交场分量测量所述参考天线(14)，以及相对于所述直接球形近场***中的所述正交场分量优化所述间接远场***中的所述正交场分量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在间接远场***中进行近场重建的方法及相应***，该方法及相应***尤其用于在紧凑型测试环境中实现稳定远场条件的紧凑型天线测试范围(Compact Antenna Test Range，CATR)。
背景技术
空中(Over The Air，OTA)测量试图确定无线电发射器和接收器(例如移动电话)在密切模拟将对设备进行测试的条件的测试环境中的性能。例如，以高于24GHz操作的第五代毫米波(5G毫米波)设备包含毫米大小的天线阵列或偶极天线，这些天线阵列或偶极天线成为设备模块封装的一体部分。因此，表征和测试作为最终产品的一部分的天线的性能的唯一方式是借助OTA测量。
例如，US 8,750,354 B1描述了一种通过创建用数字参考点替换模拟参考点的开放式架构方法和执行测量的能力而在近场中扫描数字波束形成的相控阵列的方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于在间接远场***中进行近场重建的方法和***，尤其通过组合间接远场方法和近场方法，以便从这两种方法获得上述优点。
该目的通过针对方法的第一独立权利要求的特征以及通过针对***的第二独立权利要求的特征来实现。从属权利要求包含进一步改进。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于在间接远场***中进行近场重建的方法。所述方法包括如下步骤：在适当几何定义的距离处针对直接球形近场***中的正交场分量测量参考天线，针对间接远场***中的正交场分量测量所述参考天线，以及相对于所述直接球形近场***中的所述正交场分量优化所述间接远场***中的所述正交场分量。因此，有利地组合近场方法和间接远场方法，从而在间接远场***中重建近场。
根据本发明的所述第一方面的第一优选实现形式，所述方法还包括如下步骤：应用傅里叶变换，从而在其它距离处变换所述直接球形近场***中的所述正交场分量。有利地，可以使用近场-远场算法和/或近场-近场算法推断近场测量，从而显著提高旁瓣电平准确度。
根据本发明的所述第一方面的第二优选实现形式，所述方法还包括如下步骤：识别等效距离，使得在所述间接远场***中测量的所述正交场分量最接近变换后的所述直接球形近场***中的所述正交场分量。有利地，以简化方式识别在间接远场***中测量场时所处的等效距离，以便进行近场变换。
根据本发明的所述第一方面的另一优选实现形式，所述方法还包括如下步骤：通过利用所述间接远场***的所述等效距离，按照振幅和相位变换所述正交场分量。有利地，附加的相位信息连同振幅实现场图案的最准确评估，尤其在零点和旁瓣中。
根据本发明的所述第一方面的另一优选实现形式，所述方法还包括如下步骤：通过正向和/或反向传播所述间接远场***的变换后的振幅和相位来计算所述参考天线在反应近场中的近场电流。有利地，在参考天线的反应近场中获得的近场电流允许识别关键天线设计参数，例如天线设计缺陷、比吸收率(Specific Absorption Rate，SAR)等。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于在间接远场***中进行近场重建的***。所述***包括测量天线、测量单元和处理单元。在该背景下，所述测量单元适用于在适当几何定义的距离处针对直接球形近场***中的正交场分量测量参考天线。所述测量单元还适用于针对间接远场***中的正交场分量测量所述参考天线。此外，所述处理单元适用于相对于所述直接球形近场***中的所述正交场分量优化所述间接远场***中的所述正交场分量。
因此，在定义距离处针对直接球形近场***中的每个相关场分量(例如Eθ、
)表征参考天线。将间接远场***假设成例如CATR，其中，还针对场分量图案表征所述参考天线。因此，有利地组合近场方法和间接远场方法，从而在间接远场***中重建近场。
根据本发明的所述第二方面的第一优选实现形式，所述处理单元还适用于应用傅里叶变换，从而在其它距离处变换所述直接球形近场***中的所述正交场分量。因此，可以使用近场-远场(Near-Field to Far-Field，NF/FF)算法和/或近场-近场(Near-Field toNear-Field，NF/NF)算法变换在其它距离处测量的场分量，例如Eθ、
所述其它距离优选地不等于先前在直接球形近场***中表征参考天线时所处的定义距离。有利地，可以使用NF/FF算法和/或NF/NF算法推断近场测量，从而显著提高旁瓣电平准确度。
根据本发明的所述第二方面的第二优选实现形式，所述处理单元还适用于识别等效距离，使得在所述间接远场***中测量的所述正交场分量最接近变换后的所述直接球形近场***中的所述正交场分量。有利地，以简化方式识别在间接远场***中测量场时所处的等效距离，以便进行近场变换。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实现形式，所述等效距离对应于所述间接远场***的等效范围长度。有利地，通过得知间接远场***的等效范围长度，可以很容易地执行附加功率测量，例如总辐射功率、按时间平均的功率密度等。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实现形式，所述处理单元还适用于通过利用所述间接远场***的所述等效距离，按照振幅和相位变换所述正交场分量。有利地，附加的相位信息连同振幅实现场图案的最准确评估，尤其在零点和旁瓣中。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实现形式，所述处理单元还适用于通过正向和/或反向传播所述间接远场***的变换后的振幅和相位来计算所述参考天线在反应近场中的近场电流。有利地，在参考天线的反应近场中获得的近场电流允许识别关键天线设计参数，例如天线设计缺陷、比吸收率(SAR)等。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实现形式，所述***还包括转盘，所述转盘适用于使所述参考天线相对于所述测量天线沿至少两个轴旋转。有利地，以更大的准确度测量场分量，例如Eθ、
根据本发明的所述第二方面的另一优选实现形式，所述***还包括反射器，优选地，成形反射器。该反射器提供将去往和/或来自测量天线的球形相前(phase front)转换为靠近光圈的平面相前的手段。这种方法有利地允许在比传统远场标准下所需的距离短很多的距离处创建平面波场的紧凑范围。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实现形式，所述***还包括定位单元，所述定位单元适用于控制所述转盘的旋转以及所述反射器的空间位置。有利地，进一步提高了测量准确度。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实现形式，所述***还包括消声室，所述消声室包围所述参考天线、所述测量天线、所述转盘和所述反射器。有利地，消声室的驻波抑制能力极大地提高了OTA测量可靠性。
附图说明
现在仅通过示例而非限制的方式参考附图进一步解释本发明的示例性实施例。在附图中：
图1通过示例方式示出了自由空间中的天线辐射区域，
图2a通过示例方式示出了来自近场测量的远场模拟的框图，
图2b通过示例方式示出了CATR环境中的远场测量的框图，
图3示出了根据本发明的第一方面的本发明的方法的示例性实施方式的流程图，
图4示出了根据本发明的第二方面的***的第一示例性实施方式，
图5示出了根据本发明的第二方面的***的第二示例性实施方式，以及
图6示出了根据本发明的第二方面的来自远场测量的近场模拟的示例性框图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施方式，这些实施方式的示例在附图中示出。然而，可以对本发明的如下实施方式进行各种修改，并且本发明的范围不受如下实施方式限制。
如图1所示，发送射频(Radio Frequency，RF)信号的天线基本上将电磁(ElectroMagnetic，EM)波辐射到自由空间中，在此，EM场特性根据距辐射天线的距离而改变。天线辐射区域概括地被分为两个区域：近场区域和远场区域。
近场区域为紧挨着天线的区域，所述近场区域由如下距离关系定义：
其中，
RNF为距天线的近场测量距离，
D为天线的最大线性尺寸，以及
λ为EM波的波长。
然而，在该区域中，由于天线的反应场的重叠和混合导致场是有些不可预测的和模糊的。
远场区域从远场边界开始，远场边界由如下距离关系定义：
在该区域中，EM场由相互正交且与传播方向(正如平面波的传播方向)正交的辐射场支配。通常，OTA测量基于远场区域测量，这是因为天线经常用于远距离(被视为在远场区域内)传输信号。然而，在远场区域中的测量需要考虑，距天线的距离必须远大于该天线的尺寸和波长。因此，直接远场测量设置需要很大的测试环境，并且由于传播的物理现象导致严重地限制了旁瓣电平(Side Lobe Level，SLL)准确度。
近场测量实现了在辐射近场区域内的天线探测。例如，美国专利No.8,750,354B1示出了一种用于近场测试相控阵列天线的数字近场测试***的开放式架构设计，该设计允许具有使用单独相控阵列天线的组件与近场扫描仪探针结合来进行测试的能力。
模拟远场条件的一种方法是在近场区域中测量天线并将近场电场测量值变换为远场分量。如图2a所示，近场到远场变换(NF/FF)测试方法通过使用数学上的近场到远场变换2计算针对远场定义的性能度量。因此，首先测量天线辐射的近场波束图案1。接下来，使用数学上的近场到远场变换2将这些测量值转化为远场度量3。
尽管上述NF/FF变换测试方法实现了更高的SLL准确度，但是近场测试设置比直接远场测量更为复杂并且在应用于OTA测量时非常受限制，这是因为该方法除了振幅外还需要相位信息，从而提高了测量调制信号的复杂度。
产生稳定远场条件的另一种方法是间接远场方法，该方法在测试室内借助例如抛物面反射器、菲涅耳透镜等使用变换创建远场环境。如图2b所示，CATR测试环境利用抛物面反射器8以便使发送到被测设备(Device Under Test，DUT)4的辐射信号7线性化。在DUT 4将波阵面9辐射到反射器8的情况下，反射器8随后使辐射的球形波阵面平行进入馈送天线6。DUT 4和馈送天线6之间的间隔足以使发出的球面波在从DUT 4到馈送天线6的过程中几乎达到平面相前。通常将DUT 4安装在低散射的安装架5上。
尽管间接远场方法比直接远场方法更为复杂，但是间接远场方法可以在较为紧凑的环境中执行并且可以有利地以更高的SLL准确度实现良好的远场条件。然而，与直接远场方法相比，由于远场距离被视为焦距，即馈送天线6和反射器8之间的距离，因此不可以从间接远场测量模拟近场条件。换言之，近场模拟需要正确获知测量场时所处的等效距离，该等效距离无法从间接远场测量获得。
因此，间接远场测量方法(比如CATR)和近场测量方法因而相互对立。间接远场方法事实上允许在紧凑环境中创建良好的远场条件，并且还允许仅通过场振幅测量而以良好的准确度测量在OTA测量中看到的典型的数量。相反，近场测量方法不能覆盖所有类型的OTA测量，因为它们需要测量电场和/或磁场分量的相位。
但是，如果可以测量相位，则近场测量方法可以非常有益，例如，使用近场到远场变换算法，可以将在DUT附近采取的测量准确地外推到无穷远并且可以产生最准确的远场图案评估，尤其在零点和旁瓣中。此外，也可以使用近场到近场变换算法，并且可以将在围绕DUT的表面上测量的场朝着DUT反向传播，从而例如可以观察近场电流以识别天线设计缺陷。反向传播也有利于功率密度评定，以便评估以毫米波为单位的近场人体暴露程度。
在图3中示出了根据本发明的第一方面的本发明的方法的示例性实施方式的流程图。在第一步骤100中，在适当几何定义的距离处针对直接球形近场***中的正交场分量测量参考天线。在第二步骤101中，针对间接远场***中的正交场分量测量参考天线。在第三步骤102中，相对于直接球形近场***中的正交场分量优化间接远场***中的正交场分量。
除此之外，本发明的方法还可以包括如下步骤：应用傅里叶变换，从而在其它距离处变换直接球形近场***中的正交场分量。
如果该方法还包括如下步骤，则可以是更有利的：识别等效距离，使得在间接远场***中测量的正交场分量最接近变换后的直接球形近场***中的正交场分量。
此外，根据本发明的第一方面的方法还可以包括如下步骤：通过利用间接远场***的等效距离，按照振幅和相位变换正交场分量。
除此之外，本发明的方法还可以包括如下步骤：通过正向和/或反向传播间接远场***的变换后的振幅和相位来计算参考天线在反应近场中的近场电流。
在图4中示出了根据本发明的第二方面的***10的第一示例性实施方式。该***10聚焦于进行近场测量，以便针对两个正交场分量Eθ、
表征参考天线14。测量单元12通过测量天线11在适当定义的距离(例如，如图1所示的距离R0)处对参考天线14进行测量。为了后期处理测量数据，测量单元(Meas)12还连接到处理单元(Proc)13。测量单元12和处理单元13之间的连接不一定要求是有线连接，无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)形式的无线连接、基于网络的接口等也是可行的。在该背景下，处理单元13适用于应用傅里叶变换，从而在其它距离处(例如在距离R处)变换近场***中的正交场分量Eθ、
其中：
R≠R0
处理单元13有利地存储针对所有距离R、R0所测量以及所推断的场分量。
参考天线14通常由天线驱动电路18驱动，该天线驱动电路18紧邻参考天线14放置，以便减少***损耗和信号衰减。参考天线14和天线驱动电路18可以统称为被测设备(DUT)15，诸如手机、无线电机(radio set)、短程设备等。DUT 15位于转盘16上，转盘16可通过定位单元(POS)17沿至少两个轴旋转。定位单元17可以被外部控制，例如通过从处理单元13输入和/或生成的控制命令来控制。
***10还包括消声室19，该消声室19包围测量天线11、参考天线14、DUT 15和转盘16。
在图5中示出了根据本发明的第二方面的***20的第二示例性实施方式。该***20与图4的***10的区别在于，该***20包括成形反射器21，以便针对两个正交场分量Eθ、
和场图案对参考天线14进行远场测量。成形反射器21优选地为抛物面反射器，该抛物面反射器位于消声室19内且使间接远场方法能够有效地测量DUT 15的远场图案。在该背景下，定位单元17还适用于控制成形反射器21的空间位置。这里，处理单元13也存储远场测量数据。
在图6中示出了根据本发明的第二方面的来自远场测量的近场模拟的示例性框图。由于处理单元13已经获得近场测量数据和远场测量数据，因此根据特定距离(例如使用L2范数)相对于近场测量数据23执行远场测量数据22的优化。可以基于以下傅里叶逆变换定义优化算法：
fx,y＝A∫∫Ex,ye-jk.rdxdy
其中，
A为振幅，以及
e-jk.r为相位，作为距离r的函数。
因此，可以改变距离r，直到结果与针对特定距离(R到R0之间的任何地点)的近场测量值匹配。因此，可以识别间接远场的等效距离，例如，如图1所示的距离Req。
一旦处理单元13识别间接远场的等效距离Req，则可以按照振幅和相位对场分量进行变换以及可以使用如下近场变换算法将场分量正向或反向传播到任何其它表面：
fx,y＝A∫∫Ex,ye+jk.rdxdy
特别有利的是，简化的近场变换算法足以计算DUT 5在反应近场中的近场电流，并且还能够计算SAR值以评估以毫米波为单位的近场人体暴露程度。相反，传统的近场探针破环DUT 15周围的场，并且不利地产生不可避免的测量误差。
本发明的实施方式可以通过硬件、软件、或其任何组合来实现。本发明的各个实施方式可以通过一个或多个专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、数字信号处理设备(DigitalSignal Processing Device，DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器等来实现。
尽管上文已经描述了本发明的各种实施方式，但是应当理解，仅通过示例而非限制的方式呈现了这些实施方式。在不脱离本发明的精神或范围的前提下，可以按照本文中的公开内容进行对所公开的实施方式的多种修改。因此，本发明的广度和范围不应受上述实施方式中的任一实施方式限制。而是，本发明的范围应根据所附权利要求及其等同物来限定。
尽管已经关于一个或多个实现方式示出和描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说，在阅读并理解本说明书和附图之后，将想到等同的改变和修改。另外，尽管可以关于多个实现方式中的仅一个实现方式公开本发明的特定特征，但是这类特征可以与其它实现方式的一个或多个其它特征组合，这对于任一给定或特定应用可以为期望的且有利的。
Claims (15)
1.一种用于在间接远场***中进行近场重建的方法，所述方法包括如下步骤：
在适当几何定义的距离(R0)处针对直接球形近场***中的正交场分量测量参考天线(14)，
针对间接远场***中的正交场分量测量所述参考天线(14)，以及
相对于所述直接球形近场***中的所述正交场分量优化所述间接远场***中的所述正交场分量。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述方法还包括如下步骤：应用傅里叶变换，从而在其它距离处变换所述直接球形近场***中的所述正交场分量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，所述方法还包括如下步骤：识别等效距离(Req)，使得在所述间接远场***中测量的所述正交场分量最接近变换后的所述直接球形近场***中的所述正交场分量。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，所述方法还包括如下步骤：通过利用所述间接远场***的所述等效距离(Req)，按照振幅和相位变换所述正交场分量。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中，所述方法还包括如下步骤：通过正向和/或反向传播所述间接远场***的变换后的所述振幅和相位来计算所述参考天线(14)在反应近场中的近场电流。
6.一种用于在间接远场***中进行近场重建的***(10，20)，所述***包括：
测量天线(11)，
测量单元(12)，和
处理单元(13)，
其中，所述测量单元(12)适用于在适当几何定义的距离(R0)处针对直接球形近场***中的正交场分量测量参考天线(14)，
其中，所述测量单元(12)还适用于针对间接远场***中的正交场分量测量所述参考天线(14)，以及
其中，所述处理单元(13)适用于相对于所述直接球形近场***中的所述正交场分量优化所述间接远场***中的所述正交场分量。
7.根据权利要求6所述的***，
其中，所述处理单元(13)还适用于应用傅里叶变换，从而在其它距离处变换所述直接球形近场***中的所述正交场分量。
8.根据权利要求6或7所述的***，
其中，所述处理单元(13)还适用于识别等效距离(Req)，使得在所述间接远场***中测量的所述正交场分量最接近变换后的所述直接球形近场***中的所述正交场分量。
9.根据权利要求8所述的***，
其中，所述等效距离(Req)对应于所述间接远场***的等效范围长度。
10.根据权利要求8所述的***，
其中，所述处理单元(13)还适用于通过利用所述间接远场***的所述等效距离(Req)按照振幅和相位变换所述正交场分量。
11.根据权利要求10所述的***，
其中，所述处理单元(13)还适用于通过正向和/或反向传播所述间接远场***的变换后的所述振幅和相位来计算所述参考天线(14)在反应近场中的近场电流。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的***，
其中，所述***(10，20)还包括转盘(16)，所述转盘(16)适用于使所述参考天线(14)相对于所述测量天线(11)沿至少两个轴旋转。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的***，
其中，所述***(10，20)还包括反射器(21)，优选地，所述反射器(21)为成形反射器。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的***，
其中，所述***(10，20)还包括定位单元(17)，所述定位单元(17)适用于控制所述转盘(16)的旋转以及所述反射器(21)的空间位置。
15.根据权利要求6至14中任一项所述的***，
其中，所述***(10，20)还包括消声室(19)，所述消声室(19)包围所述参考天线(14)、所述测量天线(11)、所述转盘(16)和所述反射器(21)。
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