CN107918068B - 天线阵列、测试系统和用于测试受测装置的方法 - Google Patents

天线阵列、测试系统和用于测试受测装置的方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于在一定距离中产生和/或接收平面波的天线阵列(14)，其中所述天线阵列(14)包括相对于彼此可移动的多个天线(18)，并且其中所述天线阵列(14)被配置为使得在所述天线阵列(14)的近场中产生和/或接收平面波。此外，描述了测试系统(10)和用于测试受测装置(12)的方法。

Description

天线阵列、测试系统和用于测试受测装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在一定距离内产生和/或接收平面波的天线阵列、测试系统、以及用于测试受测装置的方法。
背景技术
天线阵列通常包括用于发射电磁波的多个个体天线。针对每个天线来调整由个体天线发射的电磁波的相位以使得整个天线阵列被视为发射具有一定特性的电磁信号的单一天线元件。
天线阵列可被用作测试系统的一部分，以便在测试系统的小测试室内在远场条件下测试诸如通信装置之类的受测装置。如果在发射器与接收器之间设置了大距离，则发射的电磁波对应于平面波。因此，天线元件的远场条件涉及在接收器的位置处的平面波。然而，由于天线阵列发射的电磁信号对应于一定距离处的平面波，因此即使距离小，天线阵列的使用也提供了模拟远场条件的机会。因此，使用了天线阵列，其中天线阵列的天线被控制为例如使得它们产生在受测装置的位置处共同形成平面波的电磁波。因此，即使在天线阵列与受测装置之间设置了小距离，也能够测量和分析受测装置在远场条件下的接收和发送性质。
通常，天线阵列内的多个天线的布置被设置为使得获得最优性能。因此，天线阵列适合于特定应用，尤其是天线阵列与受测装置之间的一定距离，其转而对应于平面波的一定频率和/或受测装置的特定尺寸。
然而，这种测试系统(尤其这种天线阵列)的用户还想测试可能具有不同尺寸的装置和/或以不同频率测试相同装置。因此，不得不安装并校准另一天线阵列以便执行感兴趣的这些其他测试。这导致了大量额外的努力，其转而增大了测量的成本。
发明内容
本发明提供了一种用于在一定距离内产生和/或接收平面波的天线阵列，其中所述天线阵列包括相对于彼此可移动的多个天线，并且其中所述天线阵列被配置为使得在所述天线阵列的近场中产生和/或接收平面波。
另外，本发明提供了一种包括受测装置和如上所述的天线阵列的测试系统。所述测试系统对应于空中测量系统(over-the-air measurement system)(OTA测量系统)。所述测试系统包括可以作为整个控制单元的一部分的单个信号产生/分析单元。
此外，本发明提供了一种利用如上所述的天线阵列或如上所述的测试系统来测试受测装置的方法。
本发明基于找到所述天线阵列的天线之间的距离和/或空间对应于平面波的频率。由于多个天线可以相对于彼此移动，因此可以调整平面波的频率以使得同一个天线阵列可被用于不同的频率和/或受测装置的尺寸。因此，可以在不改变用于测量的天线阵列的情况下在不同频率处执行测量。然而，可以通过调整天线相对于彼此的距离和/或空间以引起天线阵列的平面波区间距离的改动，来维持最优特性。因此，由于在专用的测试系统中仅使用了一个天线阵列，因此不必进行另外的校准。因此，即使会执行多个不同测量，测试系统也仅需校准一次。另外，相对于本领域中使用的天线阵列而言，根据本发明的天线阵列需要更少的天线和收发器。此外，改进了天线阵列的功率管理。另外，减小了天线阵列的成本。
具体地，天线阵列的天线以机械方式被位移。
一般而言，天线阵列可以至少被分别视为平面波转换器和近场平面波产生器的一部分。
另一方面提供了一种包括位于至少两个不同的层中的多个天线的天线阵列，其中每个层的天线为相同类型的天线，并且其中不同的层各自包括不同类型的天线。所述天线阵列是空中测量系统(OTA测量系统)的一部分。不同的层的天线还在其他方向上(例如当面对天线阵列的正面时，通过竖直距离和水平距离)彼此分隔开。由于不同的层，天线被划分成两组，其中每个组包括一定类型的天线。不同的组可以位于相对于天线阵列的正面的不同平面中。例如，第一层的所有天线可以由波导天线、偶极子天线或微带天线(patchantenna)建立。根据一个实施例，第一层仅包括由波导天线建立的天线，而第二层仅包括由偶极子天线建立的天线。
所述天线阵列可以被配置为在一定距离中产生和/或接收平面波。所述天线阵列还可以被配置为使得在所述天线阵列的近场中产生和/或接收平面波。
所述天线阵列可以设置在诸如硅或陶瓷之类的印刷电路板类型的基板上，尤其是带引线陶瓷芯片(LDCC)上。
根据一个方面，所述天线阵列被配置为使得所述天线阵列的平面波区间距离是可调的。平面波区间距离对应于与电磁信号频率相关的所发射的电磁信号的波长。通常，平面波区间是所发射信号可被近似为平面波的发射器区域。因此，平面波距离是从发射器到所发射信号可被近似为平面波的对应点的距离。由于平面波区间距离因移动天线之故而可被调整，因此可以使用相同天线阵列来测试不同尺寸的受测装置。另外，由于平面波区间距离可以适当地偏移，因此多种频率可被用于测量。
根据另一方面，可移动的天线中的至少一个在两个方向上是可移动的，尤其在x、y和z方向上是可移动的。一般而言，相应地提供了用于天线阵列的调整的更多变化幅度，尤其是在天线阵列的近场内的平面波的频率和平面波区间距离。可用于天线的位移的方向越多，用于测量受测装置的平面波的频率的调整越容易。此外，即使仅使用一个天线阵列，用于测量的可用频率范围也被扩大。
此外，多个天线中的至少一个可被布置为使得所述天线为圆形地、螺旋形地、旋绕地、和/或线性地可移动。移动的类型导致整个天线阵列的不同的调整，因为天线之间的空间和/或距离根据特定的移动而变化。具体地，耦合移动是可能的，这表明天线可以在x和y方向上圆形地移动，其中，它们还在z方向上线性地可移动。天线的其他耦合移动也是可能的。
根据另一方面，天线以不同方式可移动。例如，一些天线可以仅线性地移动而其他天线可螺旋形地移动。一般而言，可以设置天线阵列的包括天线的不同部分，其中某个部分的天线可以相应地仅以专门方式和/或在专门的方向上移动。
此外，多个天线可以成组地可移动，尤其是成块地可移动。块由彼此直接相邻布置的天线所形成，其中一组天线可以遍布整个天线阵列而分布。例如，在左上角的天线和在右下角的天线可以形成一组，而例如在左下角的彼此相邻布置的三个天线形成块。另外，多个块可以形成一组。根据某个实施例，多个天线可以线性地成行或成列地位移，使得该组和/或块的每个天线以相同方式位移。
根据另一方面，所述天线阵列具有框架和面对要被测量的受测装置的表面，其中天线相对于所述表面上的参考点可移动。所述天线阵列可以被用于接收由受测装置发射的电磁信号。因此，天线被定位以使得它们接收冲击到面对受测装置的所述表面上的电磁信号。可替代地或补充地，所述天线阵列发射电磁信号。因此，所述天线阵列被配置为使得通过所述天线阵列的表面发射电磁信号。
例如，设置了控制单元，其与天线连接以使得天线经由所述控制单元而被控制。控制单元可以与天线连接以使得天线根据由所述天线阵列或所述测试系统的用户所设置的期望频率或平面波区间距离而被移动。具体地，控制单元自动地调整天线之间的距离和/或空间，使得获得期望频率的平面波和/或期望的平面波区间距离。控制单元还可以具有用于所述天线阵列接收的电磁信号的分析功能。
此外，可以设置驱动单元，其驱动天线以使得天线的位置被调整。驱动单元可以与控制单元连接，控制单元控制驱动单元以使得天线被移动。因此，控制单元控制驱动单元，其适当地驱动天线。因此，天线中的每一个可以采取一定的位置，导致了由天线阵列发射的一定频率的电磁信号，尤其导致了一定频率的平面波。平面波区间距离被相应地偏移。
具体地，多个天线被移动以使得天线阵列的平面波区间距离和/或频率被调整。天线相对于彼此的空间和/或距离影响到所发射的电磁信号的频率，其转而与天线阵列的平面波区间距离相关。
根据一个方面，在天线阵列的近场中产生和/或接收平面波。因此，天线阵列被配置为使得多个天线发射共同形成了与用于构造远场条件的平面波相对应的信号的电磁波，即使接收器(即受测装置)位于发射器(即天线阵列)的近场中。
具体地，在平面波区间中测量受测装置的性质。如已提及的那样，即使受测装置被布置在天线阵列的近场中，也可以在远场条件下测量受测装置的接收和发射性质。
根据另一方面，天线阵列到受测装置的距离小于
Figure BDA0001428936730000051
在该公式中，D为受测装置的孔径，并且λ是电磁信号的波长，其中该波长对应于期望频率。因此，天线阵列与受测装置之间的距离小于由上述公式表示的夫琅禾费距离dF。通常，该公式用于将天线元件的近场与远场彼此区分开。因此，受测装置位于天线阵列的近场中。
一般而言，可以通过不同类型的天线来建立天线。因此，例如，某组天线可以由波导天线建立而另一组天线可以由偶极子天线建立。
不同的组可以被移动以使得它们布置在不同的层中。因此，可移动天线可以被驱动以使得它们形成两个不同的层，每个层包括某个类型的天线而各个层各自具有不同类型的天线。
天线阵列(尤其是包括不同层的天线阵列)可以被用于确定受测装置的远场特性。为此，通过位于不同平面中的至少两组天线(尤其通过位于不同层中的天线)来测量所接收的信号。可选地，所述至少两组天线通过两个不同天线类型来设置。
根据第一替代，尤其通过每组天线仅测量信号的幅度，即信号的(电压)量级。随后，使用所谓的“两球法(two sphere approach)”来取得相应的相位信息。之后，应用傅里叶变换，即近场至远场(NF2FF)变换，来计算远场数据。因此，可以适当地获得远场特性。
根据第二替代，尤其通过每组天线测量信号的相位以及幅度，即信号的(电压)量级。随后，添加附加的(尤其预定的)相位和/或幅度贡献，以使得设置用于硬件傅里叶转换的3D平面波转换器。例如，可以使用模拟移向器或基带自适应用于添加相位和/或幅度贡献。
可以移动所述至少两组天线以使得它们位于彼此隔开但与天线阵列的正面平行的不同平面中。
此外，一组中的所有天线(尤其某个层中的所有天线)可以以频率偏移被上混频/下混频，以便确定各个天线之间的相位差。
一组天线(尤其某个层中的所有天线)可以相对于另一组天线(尤其是另一层的天线)具有不同的频率响应/谐振。
一般而言，可以在消声室(屏蔽室)、屏蔽箱、屏蔽间或自由空间内执行测量。
附图说明
现在将参照附图描述本发明。在附图中，
图1示出根据本发明的测试系统的第一实施例，
图2示出根据本发明的测试系统的第二实施例，以及
图3示出在图2中示出的测试系统中使用的天线阵列的详情。
具体实施方式
在图1中，示出了测试系统10，其包括诸如通信装置的受测装置12(DUT)以及用于产生和/或接收平面波的天线阵列14，其中受测装置12与天线阵列14相距一定距离d而被定位。
天线阵列14具有框架16和布置在框架16中的多个天线18，其中天线18被布置在框架16内以使得天线18相对于彼此可移动，如后文将描述的那样。
此外，天线阵列14包括控制单元20以及驱动单元22。控制单元20和驱动单元22彼此互连以使得驱动单元22被控制单元20控制。驱动单元22连接到天线18以使得天线18的位置可以通过驱动信号而被改变。因此，一旦通过控制单元20接收到命令，天线18就被驱动单元22所驱动。
因此，可以通过驱动单元22改变相邻天线18之间的距离和/或空间。
框架16可以包括主框架和对应于天线18的多个子框架。子框架耦合到主框架以使得它们可以相对于主框架被移动，导致天线18相对于主框架移动。
框架16(尤其主框架)可以包括针对每个可移动天线18(尤其是对应的子框架)的狭槽、沟道或切口，其中可移动天线18可以沿着对应的狭槽、沟道或切口被移动。
一般而言，天线阵列14可以被配置为使得经由天线阵列14的天线18发射电磁波。所发射的多个电磁波形成电磁信号，其中该电磁信号对应于在受测装置12所处的距离d处的平面波。距离d由受测装置12与天线阵列14(尤其是面对受测装置12的表面24)之间的距离所定义。因此，由于受测装置12接收到典型地用于远场条件的平面波，所以可以在受测装置12的位置处测量受测装置12在远场条件下的接收性质。
在图1中示意性地示出了对应的平面波区间P1。
一般而言，天线阵列14被配置为使得平面波区间被设置在天线阵列14的近场中。因此，距离d小于由公式
Figure BDA0001428936730000071
表示的夫琅禾费距离。因此，即使其接收到表示远场条件的由天线阵列14发射的平面波，受测装置12也被定位于天线阵列14的近场中。
由于天线18没有相对于天线阵列14的框架16被固定到导致天线阵列14发射特定频率的平面波的某些位置，因此天线阵列14发射的平面波的频率可被改动。平面波的频率与这样的平面波区间距离相关：在该距离处，可以通过用于模拟远场条件的平面波来近似天线阵列14发射的电磁信号。
因此，由于天线18之间的空间和/或距离可被动态地修改，所以提供了动态的天线间距。
因此，天线阵列14被配置为使得其平面波区间距离和/或所发射的平面波的频率是通过将天线18相对于彼此进行位移而可调整的。这也在图1中示出，因为设置了不同的平面波区间P2、P3。
一般而言，天线18可以被布置为使得它们在两个或三个方向上是可移动的，尤其在x、y和z方向上可移动。天线18可以沿着例如框架内的预定义路径而被线性地位移。可替代地或补充地，天线18是以圆形、螺旋形和/或旋绕的方式可移动的。
至少一个天线18可以被形成为可旋转的圆环形，以使得天线18的圆形移动成为可能。
一般而言，距离和/或空间可以被修改以使得发生周期性变化，尤其是关于旋转角度的周期性变化。
例如，每个天线18的耦合移动是可能的，其表明例如至少一个天线18关于x和y平面以螺旋方式移动，而相同天线18还可以在z方向上线性地移动。天线18的其他耦合移动也是适合的。
此外，多个天线18可以被布置并且被驱动以使得它们以不同方式移动。例如，布置在框架16的角落部分中的天线18以与布置在框架16的中间的天线18的方式(即线性方式)不同的方式(即圆形方式)而移动。
另外，天线18可以被布置成组或块，其中属于一组或一个块的所有天线18以相同方式位移。因此，布置在一行或一列中的天线18可以线性地移动。例如，两个组的天线可以被移动以使得它们位于平行于表面24的两个不同平面中。
例如，天线18可以在它们被驱动单元22驱动时执行平移移动。因此，确保了天线18的定向在移动期间被维持。因此，没有提供天线相对于其轴的转动。
所有不同的移动可以由控制单元20来控制，该控制单元20适当地控制驱动单元22以使得驱动单元22根据所接收到的命令来驱动天线18。由于天线18相对于彼此的不同移动，天线18彼此之间的空间和/或距离被调整，导致天线阵列14发射不同频率的平面波。
作为上述实施例的替代，天线阵列14可以被用于接收由受测装置12发射的电磁信号。同样，天线18可以被移动以便改变平面波区间距离，使得确保了也获得远场条件，这确保可以在远场条件下测量受测装置12的发射性质。
一般而言，天线阵列14可以被用于在不同频率在远场条件下测量受测装置12的接收和/或发射性质，因为由天线阵列14发射的平面波的频率可以因可移动天线18而改变。因此，可以在不同测量当中调整频率和/或平面波区间距离而无需互换天线阵列。因此，由于对所有这些测量仅使用一个天线阵列14，所以无需另外的校准步骤。
受测装置12在天线阵列14的平面波区间中被测量，其中天线阵列14的平面波区间距离位于天线阵列14的近场之内。因此，即使其接收到对应于远场条件的平面波，受测装置12也位于天线阵列14的近场之内。
一般而言，天线18可以由不同类型的天线建立，例如波导天线、偶极子天线或微带天线。
具体地，一个组的天线18由相同类型的天线形成。例如，第一组天线18仅包括波导天线，而第二组天线18仅包括微带天线。
在图2中，示出了测试系统10，其也包括诸如通信装置之类的受测装置12(DUT)和用于确定受测装置12的远场特性的天线阵列14。此外，示出了控制单元20，其包括信号产生单元以及信号分析单元中的至少一个。控制单元20可以进一步具有集成驱动单元22。
天线阵列14具有框架16和布置在框架16中的多个天线18，其中天线18位于如图3所示的两个不同的层26、28中。因此，不同的层26、28的天线18形成了与面对要被测量的受测装置12的表面24基本上平行的两个不同平面A、B。一般而言，该表面24对应于天线阵列14的正面。因此，第一层26对应于第一平面A，而第二层28对应于第二平面B。不同的平面A、B对应于不同的(测量)表面，使得天线阵列14可被用于后文将描述的所谓“两球方法”。
每个层26、28中的天线18由相同类型的天线(例如波导天线、偶极子天线或微带天线)形成。在所示实施例中，第一层26的天线18由波导天线形成，而第二层28的天线18由偶极子天线形成，如图3所示。因此，不同层26、28的天线18由不同类型的天线18形成，其中不同类型的天线18以交替的方式布置。
除了由于层布置而不同的路径以外，被分配给不同层26、28的不同类型的天线18还在其他方向上(即，通过竖直距离和水平距离)彼此间隔开，如图2和图3所示。
下文中，更详细地描述用于通过使用图2的测试系统10测量受测装置12的特性的方法。然而，该方法也可以应用于图1所示的测试系统10。
天线阵列14可被用于确定受测装置12的远场特性。
为此，通过位于不同平面中的至少两组天线18(尤其是位于不同层26、28的天线18)来测量所接收的信号。可选地，通过两种不同的天线类型来提供所述至少两组天线18，其中一个组(尤其是一个层26、28)中的所有天线18由相同类型的天线制成。
根据第一替代，尤其通过每组天线18(例如在第一层26中的天线18)仅测量信号的幅度，即(电压)量级。随后，使用所谓的“两球方法”用于取得相应的相位信息。这表明通过由位于不同层26、28中的天线18建立的两个不同(测量)表面来获得数据。
之后，将傅里叶转换(即近场到远场(NF2FF)转换)应用于所获得的数据，使得以适当的方式计算远场数据。因此，已经获得了受测装置12的远场特性。
根据第二替代，尤其通过每组天线18(例如通过每个层26、28)测量信号的相位以及幅度，即(电压)量级。随后，对所处理的信号添加附加的(尤其是预定的)相位和/或幅度贡献，以使得设置用于硬件傅里叶转换的3D平面波转换器。可以通过使用模拟移向器或基带自适应以适当方式设置添加的相位和/或幅度贡献。因此，也获得了受测装置12的远场特性。
如上文已经描述的那样，所述至少两组天线18可以被移动以使得它们位于不同平面中，即不同的层中。在这些不同平面中，天线18彼此隔开。然而，平面彼此平行并且平行于天线阵列14的正面，即面对受测装置12的表面24。
此外，每个组的所有天线18(尤其是某个层26、28中的所有天线18)可以以频率偏移而被上混频/下混频，以便确定各个天线18之间的相位差。
一个组的天线18(尤其是一个层26、28中的所有天线18)可以相对于另一组的天线18(尤其是另一层26、28的天线18)具有不同频率响应/谐振。
一般而言，通过使用测试系统10来执行用于测量受测装置12的方法。因此，测试系统10被用于在远场条件下测量受测装置12，即使天线阵列14与受测装置12之间的距离d很小。平面波区间距离小于或等于天线阵列14与受测装置12之间的距离d，确保了受测装置12接收由天线阵列14发射的平面波。
另外，测试系统10可以包括室，尤其是消声室，其中天线阵列14以及受测装置12位于该室之内。然而，测量可以在消声室(屏蔽室)、屏蔽箱、屏蔽间或在自由空间之内执行。
一般而言，包括不同层26、28和(固定地)天线18的天线阵列14可被用于“两球方法”，或者天线阵列14具有可移动天线18，其中天线18被移动以使得它们位于不同的层中。
尽管如此，位于不同的层26、28中的天线18也可以被配置为在它们各自的平面A、B中移动，如关于图1所示的第一实施例而已描述的那样。
一般而言，控制单元20可以包括信号产生/分析部件，其被配置为产生经由天线阵列14发射的信号，或者分析经由天线阵列14接收的信号。
天线阵列14可以被设置在诸如硅或陶瓷之类的印刷电路板类型的基板上，尤其是带引线陶瓷芯片(LDCC)上。
一般而言，测试系统10被配置为使得受测装置12的发射和/或接收性质可以在天线阵列14的平面波区间中被测量。

Claims (14)

1.一种用于在一定距离内产生和/或接收平面波的天线阵列(14)，其中所述天线阵列(14)包括相对于彼此可移动的多个天线(18)，其特征在于所述天线阵列(14)被配置为使得在所述天线阵列(14)的近场中产生和/或接收平面波，其中所述天线阵列(14)被配置为通过调整天线(18)相对于彼此的距离和/或空间来适应所述天线阵列(14)的平面波区间距离。
2.根据权利要求1所述的天线阵列(14)，其特征在于，可移动的天线(18)中的至少一个在两个方向上可移动。
3.根据前述权利要求中任一项所述的天线阵列(14)，其特征在于，多个天线(18)中的至少一个被布置为使得所述天线(18)是圆形地、螺旋形地、旋绕地、和/或线性地可移动的。
4.根据前述权利要求1-2中任一项所述的天线阵列(14)，其特征在于，所述天线(18)以不同方式可移动。
5.根据前述权利要求1-2中任一项所述的天线阵列(14)，其特征在于，多个天线(18)成组地可移动。
6.根据前述权利要求1-2中任一项所述的天线阵列(14)，其特征在于，所述天线阵列(14)具有框架(16)和面对要被测量的受测装置(12)的表面(24)，其中所述天线(18)相对于所述表面(24)上的参考点可移动。
7.根据前述权利要求1-2中任一项所述的天线阵列(14)，其特征在于，设置了控制单元(20)，所述控制单元(20)与所述天线(18)连接以使得所述天线(18)经由所述控制单元(20)而被控制。
8.根据前述权利要求1-2中任一项所述的天线阵列(14)，其特征在于，设置了驱动单元(22)，所述驱动单元22驱动所述天线(18)以使得所述天线(18)的位置被调整。
9.一种测试系统(10)，其包括受测装置(12)和根据前述权利要求中任一项所述的天线阵列(14)。
10.一种用于测试受测装置(12)的方法，其利用根据权利要求1至8中任一项所述的天线阵列(14)、或根据权利要求9所述的测试系统(10)进行测试。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，多个天线(18)被移动以使得所述天线阵列(14)的平面波区间距离和/或频率被调整。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述天线阵列(14)的近场中产生和/或接收平面波。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述平面波区间中测量所述受测装置(12)的性质。
14.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在D为受测装置的的孔径，并且λ是电磁信号的波长时，所述天线阵列(14)到所述受测装置(12)的距离(d)小于夫琅禾费距离
Figure FDA0002357053630000021
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