CN101652667A - 多通道无吸收体近场测量系统 - Google Patents

Abstract

一种近场微波扫描系统，包括形成阵列表面的天线元件的开关阵列，大体平行于阵列表面并且被以小于测量频率的大约1个波长的距离分隔开的扫描表面，以及用于获得和处理近场数据的处理引擎，而不使用吸收体。

Description

多通道无吸收体近场测量系统

技术领域

本发明涉及电磁辐射设备的性能参数的测量，测试和检验。

背景技术

电磁辐射设备的性能参数包括有效全向辐射功率(EIRP)和有效辐射功率(ERP)，辐射图，定向性，安装表面的RF电流分布，以及磁近场分布。这些辐射设备可以包括多模，多频带，或多输入/多输出(MIMO)辐射设备，诸如，蜂窝电话，以及包括WiFi设备(WiFi gear)的无线收发器，以及无线PDA和膝上计算机。

当制造蜂窝电话或其它辐射设备时，它们必须被校准，以便从发射器向天线结构发射已知的RF功率(流电功率)，并且以便从天线结构辐射已知的RF功率(EIRP/ERP)。还必须在辐射设备的整个操作范围的各个级别执行功率测量和检验。这种测量和检验确保对于给定的EIRP/ERP限制，向天线发射的和从天线发射的最高功率产生合法的并且可接受的比吸收率(SAR)。另外，功率测量和检验有助于在最小化功率使用的同时保持蜂窝通信中的有效无线连接，从而延长电池寿命，并且最大化小区扇区的覆盖范围和容量。

常规地，将投放零售市场的每个蜂窝电话型号的样品被在实验室中针对最大EIRP/ERP级别进行若干小时的测试，该测试具有大于2.0dB的相当大的测量不确定性。在执行这种测试之前，必须校准蜂窝电话的流电功率，并且将蜂窝电话设置为以最大流电功率辐射。

常规地，使用恰好在RF电路的天线部分之前的物理硬布线连接器将蜂窝电话RF功率传递到蜂窝电话测试设备，并且通过蜂窝电话上的RF连接器和测试设备之间的电缆连接调整蜂窝电话RF功率。一旦最大EIRP/ERP级别被调整为针对给定的流电功率达到了法规限制，或发现最大EIRP/ERP级别针对给定的流电功率达到了法规限制，则为了符合法规仅执行SAR级别测量。

为了测量和检验具有多于一个天线的蜂窝电话或其它辐射设备以及具有MIMO构架的设备的RF功率，制造商通常为每个天线电路提供单个RF连接器、以及RF开关、滤波器和阻抗匹配。由于RF连接器完全位于RF开关、滤波器和匹配电路之前，即使在使用常规方法成功完成了蜂窝电话的所有制造测试之后，每个天线电路的性能也是未知的。

在执行SAR测量时，使用在第一步中获得的最大流电功率级别作为开始级别。如果需要调整流电功率以便满足SAR限制，该调整后的流电功率级别将被认为是可以馈送到天线的最大功率，并且然后必须重新评估EIRP/ERP级别。

使用该新的流电功率级别作为到天线的最大功率来校准相同型号的大多数制造的蜂窝电话(或辐射设备)样本。一旦测量和检验了这个最大级别，在整个动态范围内设置并且测量多至20个中间功率级别。为了执行这些测量，使用蜂窝电话RF连接器和测试设备之间的电缆建立流电RF链路。用于蜂窝电话连接的电缆的RF连接器随时间的流逝而磨损，并且被基于所有生产单元的制造测试周期中的估计的最大内插数目(通常非常大)而更换。产品测试被停止，并且在可以继续制造测试之前必须引入新电缆并且重新校准。这引入了延迟和费用。

在为适当的流电RF功率级别测量和检验了每个蜂窝电话以便达到合法的EIRP/ERP以及SAR级别之后，进一步针对Tx和Rx性能测试每个蜂窝电话。为了执行这个测试，蜂窝电话被如上所述使用其RF连接器和测试设备之间的RF电缆连接到蜂窝电话测试器。在大部分情况下，在一个位置进行RF功率测量和检验，并且在另一个位置进行Tx/Rx参数测试。在不同位置执行这些测试的情况下，由于大量的内插，必须频繁地以新的RF电缆更换连接在蜂窝电话和测试设备之间的RF电缆。在继续蜂窝电话的制造Tx/Rx参数测试之前，必须执行RF电缆的重新校准，这引入了进一步的延迟和费用。

在优化蜂窝电话的RF参数的板级制造或设计者测试过程中，以流电RF连接执行这些测量。该方法不能提供了解RF电路的完整性能的所有必要测量。

在辐射设备的设计和开发过程中，设计者通常进行一系列迭代，以便改进天线模型(多个)的辐射性能，以便在以低的SAR级别和低的流电RF功率为目标的同时，在频率和灵敏性两个方面实现更大的可用范围。每次测量辐射设备的辐射性能，必须去可以通过一系列测量优化EIRP/ERP级别的测试实验室。当前不存在用于寻找近场中RF辐射的准确空间分布，以便最小化不希望的辐射的工具。设计者依靠测试实验室中用于远场辐射图的常规测试方法，并且然后在电路板级别进行调试，这是个非常乏味和复杂的处理。

为了测量天线属性，诸如辐射图，增益和定向性，采用近场扫描器收集准确的振幅和相位数据，并且随后使用现有技术中已知和可用的许多变换中的一种，计算等效的远场值。为了准确地估计远场，本领域的技术人员认为探针和受测天线之间的测量距离应当大于或等于一个波长。使用可以检测两种极化的具有单个补偿探针的机械扫描器执行当前的近场测试。通常这些测量花费多个小时，以便完成对整个辐射表面的扫描。

当测量近场辐射时，阵列元件和导电平面以及围绕它们的电介质大大地影响辐射源的近场分布以及其远场属性。在现有技术中，使用多轴近场测量系统，在距离受测天线大于一个波长处执行测量，以便最小化接地平面的影响，然后相对容易地考虑该影响。降低了阵列灵敏性，并且限制了测量的动态范围。另外，测量速度和物理大小使得这个方法在高速生产测试环境或在高度重视实时反馈和对物理实验室空间的有效利用的传统开发实验室中是不现实的方法。

在另一个方法中，使用诸如在发布于2004年7月13日的美国专利号6,762,726B2中描述的完美近场吸收体，以便增加辐射表面和阵列表面之间的隔离，从而减小使得从发射信号的电路发出的电磁辐射的测量场强发生变形的互耦效应。显著地降低了阵列灵敏度，并且限制了测量的动态范围。另外，所描述的探针密度，以及增加的物理吸收体方案所需的属性和性能增加了极大的复杂性、对可持续产量的挑战以及部署可物理实现的方案的费用。采用增加的物理吸收体，仍然存在辐射源和吸收体表面之间的交互，并且导致辐射源的修改的近场表示。

本领域需要一种解决所参考的方案的局限性、用于使用近场测量技术测量诸如来自电磁辐射设备的EIRP和ERP的性能的方法和装置。

发明内容

本发明包括一种用于通过一系列输入功率级别，测量诸如EIRP/ERP的性能参数，并且产生电磁辐射设备的远场图的新的多通道近场扫描系统。优选地，该扫描系统对于往返Tx/Rx性能的准确的和可重复的测量也是透明的。在至少一个实施例中，可以实施该系统而不需要流电RF连接。辐射设备诸如多模、多频带、或MIMO(或其组合)移动或蜂窝电话被放置在有限区域扫描器上等于或小于辐射源操作频率的波长的大约1/1.8的距离处。优选地，在大约8GHz到大约170MHz的频率范围内，该距离为波长的大约1/1.8到大约1/88。使用探针的电开关阵列实时执行多通道电磁扫描，并且测量、校正、重新测量和显示辐射源的x和y分量两者的近场振幅和相位。使用校正后的近场数据、远场变换和辐射源模型，估计并且显示辐射设备的性能参数，诸如EIRP/ERP、定向性和辐射图。

由于本发明的实施例实时的扫描速度和准确的近场和远场测量能力，可以使用本发明的实施例在生产环境中进行快速测试，或确定辐射设备的特性，测量天线的安装表面上的RF电流分布，改进RF电路，调试和定位故障天线或子阵列或阵列，并且优化天线性能。

本发明的实施例还可以测量辐射源的Tx/Rx性能而不需要流电RF连接。可以是多模和/或多频带和/或MIMO移动或蜂窝电话的辐射设备被放置在扫描器上小于一个波长的距离处，优选地，在辐射源操作频率的一个波长的1/1.8-1/88处。选择近场扫描器的两个不同的和最优的RF通道，并且分配给收发器的Tx和Rx模式。使用外部测试设备，估计收发器的Tx和Rx性能。

因此，在一个方面中，本发明可以包括无吸收体多通道近场微波扫描系统，包括：

(a)嵌入电介质的天线元件的开关阵列，用于感测预定位置处的电磁场分量，并且形成阵列表面，其中所述阵列输出原始的未校正的信号，该原始的未校正的信号表示电磁场，并且包括互耦效应；

(b)用于放置受测设备(DUT)的扫描表面，其中扫描表面大体平行于阵列表面，并且被以小于所测量频率的波长的大约1/1.8的距离分隔开；

(c)在操作上连接到开关天线阵列用于获得和处理阵列输出的处理引擎，所述处理引擎适合于针对互耦影响在单个探针级别进行校正。

在一个实施例中，互耦效应包括阵列上的单个天线元件之间的反射和动态耦合效应，以及阵列靠近DUT的接近度的效应。另外，有限扫描器大小也可以影响远场变换，并且被在处理引擎中加以考虑。

在一个实施例中，处理引擎包括：

i.控制器，

ii.通道选择器和采样器，

iii.通道校正器，用于针对差分路径损耗和延迟进行精确调整；

iV.数据转换器和内插器；

v.振幅和相位检测器；

vi.近场校正器，用于针对阵列上的单个天线元件之间的反射和动态耦合在单个探针级别进行校正

vii.变换器，用于将近场数据变换为远场图案和设计性能参数，以及

viii.用户接口。

在另一个方面，本发明可以包括测量RF和微波收发器的EIRP/ERP或Tx/Rx性能的无吸收体方法，所述方法包括以下步骤：

(a)使用形成阵列表面的天线元件的开关阵列；

(b)使用扫描表面，其中扫描表面大体平行于阵列表面，并且被以小于所测量频率的波长的大约二分之一的距离分隔开；

(c)通过接收来自每个天线的输出产生近场数据，所述近场数据表示电磁场，但是包括互耦效应和由于有限扫描器大小产生的效应；

(d)校正近场数据，以便在阵列上针对反射和互耦效应在单个探针级别进行校正；和

(e)将近场数据变换成远场数据。

在一个实施例中，互耦效应包括阵列上的单个天线元件之间的反射和动态耦合效应，以及阵列靠近DUT的接近度的效应。

附图说明

现在将参考所附的简化的、图解的、不按比例的附图，以示例实施例的方式描述本发明。在这些附图中：

图1是扫描器的天线阵列的示意图；

图2是天线阵列和扫描平面的侧视图；

图3示出了半环天线阵列的可替换的布置；

图4示出了两层开关阵列；

图5A示出了处理引擎的示意图，并且图5B示出了控制器功能的示意图。图5C示出了描述近场校正的示意流程图；

图6示出了辐射天线的外部场的示意图；

图7示出了平面近场测量的几何形状的示意图；

图8A-8E示出了由处理引擎的图形用户界面产生的各种显示的不同屏幕快照。

具体实施方式

本发明提供了用于测量近场中的辐射源的辐射功率的方法和装置。当描述本发明时，本文未定义的所有术语具有通常本领域所认可的含义。当结合数值使用术语“大约”时，意味着该值包括所称值上下10％的范围，或在测量该值的方法的已知容差内。术语“近场”意味着距天线小于或等于所辐射的射频的大约一个波长的距离内的场。如果允许，此处列出的参考文献被如同全文复制那样结合在此。

本发明包括无吸收体微波近场扫描器。在一个实施例中，扫描器(100)包括能够发射和接收电磁辐射的排列成二维阵列的多个天线(101)。所述天线优选地但不必是半环天线。如图1所示，阵列可以在x轴上具有m个元件，并且在y轴上具有n个元件。在一个实施例中，优化了环尺寸长度(L)和深度，以便提供H场强度和E场强度之间的足够区别。对于给定的扫描区域和辐射功率准确性，确定元件间间隔(d)和阵列元件总数。在一个实施例中，m可以是24而n可以是16，d可以等于大约10mm。在一个实施例中，d可以等于大约5L。给定区域内的更多的天线数目(即小于d的值)将提供更好的准确性，然而，这以天线和其馈送结构之间的增加的互耦效应为代价。

如图2A所示，扫描平面(102)被置于与阵列表面(103)相距距离(D)处，距离(D)优选地具有波长的大约1/88到大约1/1.8的范围，并且相应的阵列元件间距离(d)范围优选地为大约1/176到大约1/3.6波长。如果D使得扫描平面太靠近阵列表面，如图6所示，阵列表面可能在绝对无功近场区内，这具有负作用。然而，当D变得较大时，必须增加阵列的大小以便获得相同的扫描能量。在一个实施例中，D/d可以大约为2.0。

所示的实施例示出了彼此大体平行的大体平坦的扫描平面和天线阵列。可替换的实施例可以包括球形、圆柱形或其它几何形状的扫描表面。

半环(101)的典型布置使得连续的阵列元件发射或接收H场强的正交偏振。这个扫描器或阵列还可以使用可替换的布局布置，包括图3中所示的那些布置。

来自阵列天线的输出被通过底板馈送到多层印刷电路板(PCB)的辅助面。PCB层堆叠和布局优选地应当能够在所关注的频率范围上提供好于20dB的元件间隔离。在一个实施例中，半环天线(101)的一端连接到紧邻天线层的接地平面，并且半环天线的另一端通过馈送通孔无匹配地连接到微带线层。

借助于可以选择来自天线元件(101)中的任意一个的输出的开关(110)选择来自特定天线(101)的输出。由于大量天线元件使得难以为每个天线实现单个开关，本发明的一个实施例包括允许使用相对少数目开关的分层开关的系统。在一个例子中，使用3层SP4T开关，信号数目可被减少到1/64。因此，384个元件阵列可被减少为6个RF输出。图4中为带有两层开关的16个元件的模块。

随同开关矩阵，第二个通道被连接到一个天线元件，以便提供参考信号。这个参考信号是进行相对相位测量所必须的。天线阵列的构造使得其可以扩展以便通过适当地选择一对通道，同时进行多于一个辐射表面或设备的辐射功率测量。

被选择的和未被选择的天线优选地应当充分彼此隔离。不良的隔离现象通常归因于邻接接地平面所形成的空腔中的泄漏，从而天线馈送通孔将对天线电流的传导通过内层延伸到组件层，使得馈送通孔成为有效的辐射器。

对两层板中的天线隔离的测量和仿真示出了非常好的隔离。结果，我们相信耦合不是由于天线结构而产生的，并且仅有一个接地层则不会出现。当仿真模型被改变为包括多于两个接地层时，观察到了显著的泄漏。电能将以非常小的衰减在接地层之间的衬底内从一个通孔流到下一个通孔。

同轴馈送理论上可以提供极好的隔离，然而，同轴馈送可能难以制造。更实际的解决方案可以是以接地通孔或接地带实现。因此，在一个实施例中，PCB包括由将所有接地层连接在一起的接地通孔(或接地带)构成的隔离装置。我们发现更靠近馈送通孔定位接地带产生更好的隔离，并且使用多个接地带也产生更好的隔离。

处理引擎从扫描器PCB接受天线信号(此处被称为近场数据)，并且处理它们以便提供有用的信息。天线信号包括互耦效应，诸如阵列上单个天线元件之间的反射和动态耦合，以及受测设备(DUT)与阵列的接近度，以及与有限扫描器的物理和虚拟大小两者有关的效应。因此，在一个实施例中，处理引擎提供了用于在单个探针级别去除或最小化互耦效应的装置。处理引擎还考虑阵列靠近DUT的接近度的影响，并且还通过使用平面波谱(PWS)模型变换到远场来考虑有限的虚拟扫描器大小。

在一个实施例中，如图5中示意所示，处理引擎(10)包括控制器(12)、通道选择器和采样器(14)、针对差分路径损耗和延迟进行精确调整的通道校正器(16)、数据转换器和内插器(18)、振幅和相位检测器(20)、近场校正器(22)、用于将近场数据变换为远场数据的变换器(24)、以及包括图形卡或用于驱动显示器的其它装置的用户界面(26)。处理引擎还可以包括后处理器(28)和用于确定EIRP的装置(30)。溯源性(traceability)模块(32)是可选的。处理引擎的组件可由软件、固件、硬件或其组合实现，并且是本领域中公知的。

如图5B所示，控制器(12)主要起给系统的其余部分供电，并且控制PCB上的开关和衰减器的作用。控制器(12)从可以是台式或膝上计算机的操作处理器接收命令，并且将该数据转换为操作天线板和信号调节部分所需的信号。控制板的输入连接到计算机上的I/O。输入线路用于状态控制信号以及路由信号的数据传输，这使得适当的状态控制进入适当的输出数据线路。

为了完全控制天线板和信号调节系统的状态，并且在所需动态范围内获得准确的测量，需要两组输入。输入上的一个位专用于输入的组选择。反馈和延迟部分是处理I/O卡的握手要求所必须的。这个部分还被用于产生CLK信号。

从I/O卡发送ACK信号，并且在该卡将输出下一组数据之前需要返回REQ。REQ信号必须具有某个最小延迟和持续时间。由一个简单的反馈和延迟电路满足这个握手要求。通过使得ACK信号通过使用NAND门实现的两个反相器引入REQ延迟。还使用两个反相器的方法向系统中引入CLK信号。

由于所需的来自电源和控制板的全部输出数据线很多(在所示的实施例中为38条线)，需要某种形式的解多路复用或解码，并且在优选实施例中，在板上使用两种策略。适合的解多路复用和解码策略是本领域的技术人员公知的。

如本领域所公知的，用户界面和显示器(22)可以在常规的计算机监视器上显示数据，并且通过计算机键盘和鼠标接受用户输入。在一个实施例中，用户界面是图形用户界面(GUI)，并且显示构架被设计为提供馈送测试参数的灵活性，诸如对扫描区域的选择、参考探针、扫描类型、模型选择、频率范围和装入诸如原始数据、DAQ校正后的数据、探针校正后的数据、转换后的数据，路径校正后的数据、以及参考远场数据的数据。一旦装入了所有测试参数，处理引擎(10)的GUI和显示部分(22)解释装入的测试参数，并且创建测试序列，并且在控制器的帮助下开始执行每个测试序列，同时测量扫描数据/将扫描数据登记到计算机存储器内。另外或可选择地，扫描数据可被写入硬盘驱动器或其它数据存储设备以便进一步处理。

然后进一步处理扫描数据，以便实时地确定至少一个性能参数，诸如特定于2D和3D分量的近场分布、总的近场分布、振幅和相位分布、主切面和任意所希望的切面的远场图以及ERP、EIRP和定向性。

在两通道系统中，通道被分别指定为参考通道和测量通道。在一个实施例中，参考通道连接到阵列中一个唯一元件，然而其还可被重新配置为连接到阵列中的由控制器基于扫描的信息或输入参数动态确定的不同元件。在一个实施例中，系统构架使得能够选择阵列中的一对天线元件，并且将它们同时连接到参考和测量通道。

在一个实施例中，参考通道和测量输入通道两者被下混频到中频(IF)。通过带通滤波器进一步放大和处理IF信号。这些滤波器将确定IF的频率范围，所以为了覆盖全部测量频率范围，需要对本地振荡器(LO)编程，以便产生正确的IF范围。完整的输入频率范围被分解为宽度等于IF滤波器带宽的N个段。优选地，LO被设计为仅覆盖所关心的频率区域，即，蜂窝波段。对于参考通道，对数放大器确定峰值或平均峰值振幅。来自对数放大器的限幅器输出经过比较器并且被送入确定信号频率的计数器。在测量通道上，在放大器之后使用附加的可开关的衰减器，以便增加所允许的输入信号强度的范围。RMS检测器测量测量通道的振幅。可选择地，相同的检测器还可用于确定峰值振幅。使用两个检测器，可以检测和测量具有各种调制格式的接收的调制后的RF能量的信号强度。

对于相位测量，可以使用两个相位检测器。一个直接从IF滤波器输入参考通道和测量通道，而另一个在参考通道上具有90度的相位延迟滤波器。

微处理器控制和读取来自相关A/D转换器和计数器的测量值。微处理器与处理引擎通信，以便确定输入频带和其它必需的信息，并且将信号测量值传输到处理引擎。为了达到所需的精度，A/D转换器应优选地具有最少10比特的分辨率。采样速率优选地至少为1MSPS，不过更快的采样速率可能会减少进行全部所需测量所需的时间，同时还允许对数据进行某种平均。

由RF采样器测量的振幅和相位处于原始状态，对其应用各种校正以便创建扫描平面的精确数据集。最初，以给定的频率并且针对给定的温度应用RF采样器振幅和相位校正。随后，以给定的频率并且针对给定的温度对振幅和相位两者进行路径损耗校正。最后，通过使用天线因子校正将校正后的振幅和相位转换为场量。

因为天线阵列的每个元件仅测量与其相邻元件的磁场分量正交的一个磁场分量，应用内插以便获得扫描平面的每个采样点处的两个横向分量。对于振幅，通过对其4个相邻测量点进行平均实施内插。对于边元件，根据其相邻的3个元件内插数据。对于拐角元件，根据其相邻的2个元件内插数据。在一个实施例中，可以通过三点法实现相位内插。首先，从最小到最大对4个相邻数据点排序。如果排序后的相邻数据点之间的相位差大于预定的阈值，将最特别的一个丢弃，并且对剩余的3个点进行平均。否则，对4个相邻的测量点进行平均。优选地，可以使用用于边点和4个拐角的特殊处理，以便获得更好的结果。可替换地，为那些点采用对内部点的外插。

在振幅和相位检测模块(20)中，在原始数据经过了校正和内插级之后，近场数据的振幅和相位可用于进一步的处理显示和存储。

可以使用此处描述的方法来考虑互耦效应，互耦影响可以包括阵列上的单个天线元件之间的反射、动态耦合、以及DUT接近度影响。另外，使用本领域公知的方法考虑有限的扫描器大小的影响。执行计算以便计算各种模型和其NF校正。可以通过测量近场辐射测量和研究天线的远场辐射图和辐射功率[Johnson J.H.Wang，″AnExamination of the Theory and Practices of Near-fieldMeasurements，″IEEE Trans.Antennas Propagat.，Vol.36 pp.746-753，January 1986]。

图6示出了辐射天线的外部场，该外部场通常被划分为三个区域：无功近场区域、辐射近场区域和远场区域。无功近场区域被以仅仅在天线之外的小体积激励，并且导致天线周围存储的电和磁能量，并且非常迅速地衰减。通常认为无功近场区域从天线的表面延伸大约λ/2π，不过常规的近场测量使用一个波长(λ)或更大的距离，以便最小化系统不确定性[Arthur D.Yaghjian，″An Overview of Near-fieldAntenna Measurements，″IEEE Trans.Antennas Propagat.，Vol.AP-34pp.30-45，January 1986.]。

天线的近场测量的常规扫描技术基于可见于Whittaker和Watson的出版物[G.T.Whittaker and G.N.Watson，ModernAnalysis，4th ed.London：Cambridge Univ.Press，1927，ch.XVIII]中的场的平面波谱(PWS)表示。

图7中示出了平面近场测量系统。辐射天线的孔径在z≤0的x-y平面内。用于近场测量的平面处于z＝z_t*的x-y平面内。考虑z＞0的区域是无源的，天线孔径之前的时谐电磁场的解可被表达为：

$E(x,y,z)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}A(k_x,k_y)e^{-\mathrm{jk}\·r}{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y---\left(1\right)$

$H(x,y,z)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}k\×A(k_x,k_y)e^{-\mathrm{jk}\·r}{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y---\left(2\right)$

并满足k_xA_x(k_x，k_y)+k_yA_y(k_z，k_y)+k_zA_z(k_x，k_y)＝0(3)

其中k_x和k_y是实变量，并且

k可被称为波数矢量，并且A(k_x，k_y)被称为平面波谱，这是由于表达式A(k_x，k_y)e^-jk，r在该表示式中表示在方向k上传播的均匀平面波。

变换并且重新排列这些等式，以便使用分量H(x，y，z)根据近场表达PWS A(k_x，k_v)。

$k_y{A}_z(k_x,k_y)-k_z{A}_y(k_x,k_y)=e^{j{k}_{,}{z}_t}\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{H}_x(x,y,z_t)e^{j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(5\right)$

$k_z{A}_x(k_x,k_y)-k_x{A}_z(k_x,k_y)=e^{j{k}_{,}{z}_t}\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{H}_y(x,y,z_t)e^{j(k_{x}x+k_{y}y)}\mathrm{dxdy}---\left(6\right)$

在天线的远场区域中(kz＞＞1)，基于最速下降法，可以证实可由渐近展开表示等式(1)[P.C.Clemmow，The Plane Wave SpectrumRepresentation of Electromagnetic Fields.London：Pergamon，1966]。

$E(x,y,z)=\frac{{\mathrm{je}}^{-\mathrm{jkr}}}{r}{k}_{z}A(k_x,k_y)---\left(7\right)$

当在辐射表面上进行平面近场扫描时，由于实际的原因和限制，扫描必须被限制到x-y平面内的有限区域。可以对这个扫描数据应用平面波谱变换，以便确定辐射表面的远场属性。由用于扫描的有限区域限制给定频率的远场变换数据的准确性。可以在后处理模块中进一步处理数据，以便提高准确性。

在自由空间中或在大型接地平面存在的情况下执行常规的辐射功率测量。使用PWS估计的远场数据提供了自由空间中的估计。如果必要，对该数据集进行校正，以便考虑接地平面交互的影响。

可以如下执行对功率密度图或辐射图、定向增益、辐射功率、和EIRP的计算：

$U(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=S(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})R^2=\frac{1}{2}\mathrm{Re}(\stackrel{\→}{E}\×{\stackrel{\→}{H}}^{*})\·\hat{r}{R}^2=\frac{{\left|E\right|}^2{R}^2}{2Z}=\frac{Z^2{\left|H\right|}^2{R}^2}{2Z}$

$=\frac{Z^2{k}^2}{2Z}[{(1-a_y)}^2{\left|M_x\right|}^2+{(1-a_x)}^2{\left|M_y\right|}^2+2a_z{a}_y[(\mathrm{Re}\left(M_x\right)\mathrm{Re}\left(M_y\right)+\mathrm{Im}\left(M_x\right)\mathrm{Im}\left(M_y\right))]$

Z²被作为P_offset除去，P_offset还考虑了其它系数。在Matlab中PDS→U。通过在半球上对功率密度进行积分获得辐射功率。将半球划分为50×100份。并且同样，通过在半球上对功率密度进行累加执行积分。

对于一次完整的扫描，可以获得该值。如果一次接一次地继续扫描，可以提供准实时曲线。

$P_{\mathrm{rad}}={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{0.5\mathrm{\π}}U(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\sin \mathrm{\θ}\·\mathrm{d\θd\φ}$

在当前实现中，dθ＝1.8°，dφ＝3.6°

由球坐标(θ，

)指定的方向上的天线的功率增益定义为：

其中辐射强度U(θ，

)定义为方向(θ，

)上“每单位立体角从天线辐射出的功率”[C.A.Balanis，″Antenna Theory：Analysis andDesign″，Second Edition，John Wiley&Sons，1997]，并且P_in是天线从源接受的总功率。根据源处的电压和电流如下计算P_in：

$P_{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left({\mathrm{VI}}^{*}\right)---\left(31\right)$

并且

在r在方向(θ，

)上、并且r＝R的前提下，从等式(28)获得E。定向性简单地定义为：

其中P_rad是天线辐射的总功率，

$P_{\mathrm{rad}}=P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{loss}}$

并且P_loss是天线中的总欧姆损耗。

如果未指定方向，则暗示最大辐射强度的方向(最大定向性)表达为

$D_{\max }=\frac{U_{\max }}{U_0}=4\mathrm{\π}\frac{U_{\max }}{P_{\mathrm{md}}}$

如果假设在所有方向等同地辐射信号，即，从点源散发的球面波，有效全向辐射功率(EIRP)是向着接收器发射的视在功率。以下列等式给出这个功率：

EIRP＝G_t·P_t

＝D·P_rnd

其中：

G_t＝发射器天线的增益，

P_t＝发射的功率

例子

下面的例子说明所提出的发明，而不是对本发明的限制。使用远场测量技术针对增益和定向性在工业上可实现的典型准确度在蜂窝电话操作频率范围上大约为+/-0.25dB量级。为了实现溯源性，通过在预定义的蜂窝电话波段频率实现和调整参考源的数值模型参数，执行了大量的电磁数值仿真，以便实现类似的远场准确度。使用这些仿真，发现参考源的EIRP在1880MHz和836.4MHz时分别为29.66dBm和24.95dBm，其准确度为+/-0.3dB。根据从远场仿真推导出的近场数据集估计非常近的距离处的近场振幅和相位准确度，并且发现其为大约0.30dB和+/-5度量级。使用来自仿真的振幅和相位数据，利用频率和模型敏感度NF校正因子，以+/-0.3dB的振幅和+/-5度的相位准确度校准扫描器系统。

图8A示出了受测辐射设备的3D近场总振幅分布。这是由定位在预定物理位置处的每个探针测量的辐射设备的x和y磁场强度的合成振幅。

图8B示出了受测辐射设备的x和y分量的2D近场振幅分布。这是由定位在预定物理位置处的每个探针测量的辐射设备的磁场强度的x和y分量的振幅。

图8C示出了辐射设备的EIRP，定向性和辐射功率(实时显示)的估计值。根据校正后的近场振幅和相位分布，并且应用适当的近场到远场变换计算辐射功率。还根据辐射设备的辐射功率和计算的辐射图计算定向性和EIRP。

图8D示出了辐射设备的3D半球辐射图，并且在对校正后的近场振幅和相位分布应用了近场到远场变换之后之后，计算该辐射图。

图8E示出了组合图8A、8B、8C和8D的集成GUI。可以放大这些图中的任意一个，以便清楚地示出显示的参数。可以通过选择菜单栏中的适当选项，互换图8A和8B所示的显示。右上象限显示了辐射图的极坐标表示，其中可将从任何测试实验室中获得的受测设备的标准图叠加到扫描器系统的计算的辐射图上。

如本领域的技术人员将会明了的，可以对上述的特定公开内容做出各种修改、调整和变形，而不脱离本文提出的本发明的范围。可以用不同于本文描述或要求的组合的方式组合所述发明的各种特征和元素，而不脱离本发明的范围。

Claims (13)

1.一种无吸收体的近场微波扫描系统，包括：

(a)嵌入电介质的天线元件的开关阵列，所述天线元件的开关阵列用于感测预定位置处的电磁场分量，并且形成阵列表面，其中所述阵列输出原始的未校正的信号，该原始的未校正的信号表示电磁场，并且包括互耦效应；

(b)用于放置受测设备(DUT)的扫描表面，其中所述扫描表面大体平行于所述阵列表面，并且被以小于所测量频率的波长的大约1/1.8的距离分隔开；

(c)在操作上连接到所述开关天线阵列用于获得和处理阵列输出的处理引擎，所述处理引擎适合于针对互耦效应在单个探针级别进行校正，并且所述处理引擎包括：

i.控制器，

ii.通道选择器和采样器，

iii.通道校正器，用于针对差分路径损耗和延迟进行调整，

iV.数据转换器和内插器，

v.振幅和相位检测器，

vi.近场校正器，

vii.变换器，用于将近场数据变换为远场数据，以及

ix.用户接口。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述天线元件被包括在多层结构中，并且借助于穿过所述多层结构的接地通孔隔离所述天线。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述扫描表面和所述阵列表面之间的距离(D)在波长的大约1/88到波长的大约1/1.8之间。

4.如权利要求1，2或3所述的系统，其中所述阵列的元件间距离(d)范围在波长的大约1/176到波长的大约1/3.6之间。

5.如权利要求4所述的系统，其中D/d大约为2.0。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述处理引擎还适合于考虑有限扫描器大小的影响。

7.一种测量和测试电磁辐射设备的性能参数的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)使用形成大体平行或不平行的阵列表面的天线元件的开关阵列；

(b)使用这样的阵列扫描表面，其中所述扫描表面大体平行于所述阵列表面，并且被以小于所测量频率的波长的大约1/2的距离分隔开；

(c)通过接收来自所述开关天线阵列的输出产生近场数据，所述近场数据表示电磁场，但是包括互耦效应；

(d)校正所述近场数据，以便针对互耦效应在单个探针级别进行校正；和

(e)将校正后的近场数据变换为远场数据。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述天线元件被包括在多层结构中，并且借助于穿过所述多层结构的接地通孔隔离所述天线。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述扫描表面和所述阵列表面之间的距离(D)在波长的大约1/88到波长的大约1/1.8之间。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述阵列的元件间距离(d)的范围在波长的大约1/176到波长的大约1/3.6之间。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中D/d大约为2.0。

12.如权利要求7所述的方法，其中校正所针对的互耦效应包括阵列上的单个天线元件之间的反射和动态耦合效应，以及DUT与扫描器表面的接近度。

13.如权利要求12所述的方法，其中进一步校正所述近场数据，以便考虑有限扫描器大小的影响。

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