CN108594028B - 一种天线近场测试设备及测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线近场测试设备及测试系统和方法，天线近场测试设备包括天线探针阵（1）和测试安装架（2），测试安装架（2）上设置有天线探针阵安装框（2‑1）和待测天线阵安装框（2‑2），天线探针阵安装框（2‑1）与待测天线阵安装框（2‑2）平行设置，且距离为30~200mm；天线探针阵（1）包括排列在同一平面上的多个双极化天线单元（1‑1）和用于固定双极化天线单元（1‑1）的天线单元固定架（1‑2）；天线探针阵中所有双极化天线单元的印制板上表面处于同一平面。本发明通过将天线探针阵近距离正对待测天线能够快速测试天线信息，能迅速判断天线是否满足各性能要求。和传统方法相比，测试速度快，无需搭建暗室环境就能测试，操作步骤灵活，适合批量测试。

Description

一种天线近场测试设备及测试系统和方法

技术领域

本发明属于天线测试技术领域，尤其涉及一种天线近场测试设备及测试系统和方法。

背景技术

目前天线测试技术领域，有远场测试法与近场测试法；其中，远场测试由于场地限制及外界环境干扰，难以得到准确的天线信息，而远场测试中的紧缩场测试虽然消除场地干扰，但是设计加工精度要求较高，测试精度有限。近场测试通过标准探头取样场的幅度与相位特性后经过换算，得到天线远场特性，受环境因数影响极小，全天候都能顺利进行测试，但此方法需搭建微波暗室设备，一次只能测试一种天线，测试信息量大，对于批量测试，需花费大量精力与时间。

近场测试有三种方法，平面测试场法、柱面测试场法和球面测试场法。都是通过在微波暗室中，使用伺服系统和已知探头，在离开待测天线几个波长的近场区域内，提取天线幅度与相位信息，通过换算得出远场方向图等信息。需对测试探头进行修正且伺服系统中安装架也会对测试结果造成一定影响。

发明内容

本发明的目的在于适应大批量生产，提供一种有效的能够快速测试天线信息，并且能迅速判断天线是否满足各性能要求的设备、系统及方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种天线近场测试设备，包括天线探针阵和测试安装架，所述测试安装架上设置有天线探针阵安装框和待测天线阵安装框，天线探针阵安装框与待测天线阵安装框平行设置，且距离为30~200mm；所述天线探针阵包括排列在同一平面上的多个双极化天线单元和用于固定所述双极化天线单元的天线单元固定架；所述双极化天线单元外部为一个长方形铝制腔体，铝制腔体底部连接反射板，反射板上表面中部连接两根同相位同轴电缆，同轴电缆顶部连接印制板，印制板上表面同铝制腔体上端边缘同平齐；天线探针阵中所有双极化天线单元的印制板上表面处于同一平面。

进一步的，所述同轴电缆通过螺钉锁紧在反射板上，所述同轴电缆的内外导体分别焊接在印制板上，铝制腔体与印制板之间设置4根尼龙支撑柱，使用尼龙螺钉锁紧，铝制腔体上边缘中部设置限位槽限位印制板。

进一步的，双极化天线单元内部设置短路调谐支节和开路调谐支节。

进一步的，所述天线探针阵排列有8个双极化天线单元，上下两个各设置4个双极化天线单元两两对齐；天线单元固定架还设置有16根延长同轴电缆组件。

进一步的，所述双极化天线单元的铝制腔体内壁与反射板两端的空间内设置吸波材料。

进一步的，所述吸波材料为RAT橡胶平板。

进一步的，测试安装架上还设置有刻度圆柱杆、第一锁紧装置和第二锁紧装置；所述天线探针阵安装框和待测天线阵安装框中至少一个可以沿所述刻度圆柱杆移动；所述第一锁紧装置用于将所述天线探针阵安装框及待测天线阵安装框锁紧在刻度圆柱杆上，所述第二锁紧装置用于锁紧所述天线探针阵及所述待测天线阵。

一种天线近场测试系统，由所述的天线近场测试设备、矢量网络分析设备及数据处理设备组成。

一种天线近场测试方法，使用所述的天线近场测试系统，包括以下步骤：

1）设定天线探针阵与天线阵标准品之间的标准距离L，L为30~200mm；

2）在非暗室环境中，将天线探针阵插入天线探针阵安装框中，将天线阵标准品插入待测天线阵安装框中，天线探针阵与天线阵标准品相向放置，天线探针阵的中心与天线阵标准品中心相对，天线探针阵中双极化天线单元个数与天线阵标准品中天线个数相等，每个双极化天线单元与一个待测天线对应，移动安装框使天线探针阵与天线阵标准品之间的距离为L，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，矢量网络分析设备检测到的相位测试值和幅度测试值设为初始标定值；

3） 在非暗室环境中，将天线探针阵插入天线探针阵安装框中，将待测天线阵插入待测天线阵安装框中，天线探针阵与待测天线阵相向放置，且天线探针阵的中心与待测天线阵中心相对，天线探针阵中双极化天线单元个数与待测天线阵中天线个数相等，每个双极化天线单元与一个待测天线对应，移动安装框使天线探针阵与待测天线阵之间的距离为L，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，矢量网络分析设备检测相位测试值和幅度测试值；若步骤3）检测到的相位测试值和幅度测试值与初始标定值相同，则判断待测天线阵合格，否则不合格。

进一步的，所述步骤1）中天线探针阵与天线阵标准品之间的标准距离L的设定，结合搭建暗室的传统天线近场测试方法进行估算，具体步骤为：

测试步骤1：非暗室环境，使用矢量网络分析仪，将天线探针阵与天线阵标准品中心相对进行测试，距离l为在感应场区与近场区，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，选择不同距离l进行相位记录，记为Φ_A；选择不同距离l进行幅度记录，记为P_A，其中A=1～N，N为标准品天线阵中的天线的个数；

测试步骤2：天线阵标准品暗室标定：使用喇叭天线在暗室测试天线阵标准品作为标准数据，使用网络分析仪，使喇叭天线距天线阵标准品印制板距离M达到天线远场区，喇叭天线作为接收天线，天线阵标准品作为发射天线进行测试，极化相匹配，中心相对，共测试N组数据，进行相位记录，记为Φ_B，进行幅度记录，记为 P_B，其中B=1～N；

测试步骤3：探针暗室标定：使用单探针天线在暗室测试天线探针阵，探针的种类与天线探针阵一致，移动单探针天线测试天线探针阵的每一个天线单元，选择不同距离W进行相位记录，记为Φ_C；选择不同距离W进行幅度记录，记为 P_C，其中C=1～N，W的Ｎ种选择与ｌ的Ｎ种选择完全相同；

测试步骤4：计算修正：将测试步骤1中相同位置相同频率的相位值减去测试步骤3中相同位置相同频率的相位值，与测试步骤2标准相位值进行比较，即在A=B=C时，比较Φ_A-Φ_C与Φ_B值；且将测试步骤1中相同位置相同频率的幅度值减去测试步骤3中相同位置相同频率的幅度值，与测试步骤2标准幅度值进行比较，即在A=B=C时，比较P_A-P_C与P_B值； 找出Φ_A-Φ_C与Φ_B及 P_A-P_C与P_B最接近时选择的l值，即设定其为标准距离L。

本发明的有益效果是：

本发明的测试设备、系统和测试方法使用了传统近场测试思路，也区别于传统近场测试，是在平面测试场法基础上的创新与新场合的应用，提高了测试速率，适用于大量生产中。

本发明的测试方法，通过将天线探针阵近距离正对待测天线能够快速测试天线信息，并且能迅速判断天线是否满足各性能要求。和传统方法相比，测试速度快，无需搭建暗室环境就能测试，操作步骤灵活，适合批量测试；可针对不同双极化待测天线进行定制测试天线阵，应用灵活。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明天线近场测试设备结构示意图。

图2为本发明中天线探针阵结构示意图。

图3为天线探针阵插入测试安装架结构示意图。

图4为双极化天线单元分解结构示意图。

图5实施例2天线探针阵与待测天线阵（DUT）相对测试。

图6实施例2中暗室条件下 喇叭天线测试DUT。

图7实施例2中暗室条件下单探针测试天线探针阵。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种天线近场测试设备，包括天线探针阵1和测试安装架2，所述测试安装架2上设置有天线探针阵安装框2-1和待测天线阵安装框2-2，天线探针阵安装框2-1与待测天线阵安装框2-2平行设置，且距离为30~200mm；如图2所示，所述天线探针阵1包括排列在同一平面上的多个双极化天线单元1-1和用于固定所述双极化天线单元1-1的天线单元固定架1-2；如图4所示，所述双极化天线单元1-1外部为一个长方形铝制腔体1-11，铝制腔体1-11底部连接反射板1-12，反射板1-12上表面中部连接两根同相位同轴电缆1-13，同轴电缆1-13顶部连接印制板1-14，印制板1-14上表面同铝制腔体1-11上端边缘同平齐；天线探针阵中所有双极化天线单元的印制板上表面处于同一平面。

如图4所示，同轴电缆1-13通过螺钉锁紧在反射板1-12上，所述同轴电缆1-13的内外导体分别焊接在印制板1-14上，铝制腔体1-11与印制板1-14之间设置4根尼龙支撑柱1-15，使用尼龙螺钉锁紧，铝制腔体1-11上边缘中部设置限位槽限位印制板1-14。双极化天线单元1-1内部设置短路调谐支节和开路调谐支节。

如图2所示，所述天线探针阵1排列有8个双极化天线单元1-1，上下两个各设置4个双极化天线单元1-1两两对齐；天线单元固定架1-2还设置有16根延长同轴电缆组件1-3.

所述双极化天线单元1-1的铝制腔体1-11内壁与反射板1-12两端的空间内设置吸波材料1-16。所述吸波材料1-16为RAT橡胶平板。

如图1、3所示，测试安装架2上还设置有刻度圆柱杆2-3、第一锁紧装置2-4和第二锁紧装置2-5；所述天线探针阵安装框2-1和待测天线阵安装框2-2中至少一个可以沿所述刻度圆柱杆2-3移动；所述第一锁紧装置2-4用于将所述天线探针阵安装框2-1及待测天线阵安装框2-2锁紧在刻度圆柱杆2-3上，所述第二锁紧装置2-5用于锁紧所述天线探针阵1及所述待测天线阵。

本实施例中待测天线要求为一种双极化天线。

本实施例中设计天线探针阵，使各双极化天线单元结构中心与待测天线相对应，提取相位及幅度信号。采用同轴馈电的方式，使天线辐射的电磁场主要集中在阵面上，增加探针天线提取待测天线阵（DUT天线）有效面积的同时使馈电线远离阵面，大大降低馈电线对提取信号精度的影响且使得天线探针阵结构紧凑。各双极化天线单元使用尼龙支撑柱在四角进行支撑，铝制腔体边缘高度同印制板上表面齐平且在腔体边缘开槽以限位天线，保证双极化天线单元与水平面平行且保证其中心位置精确能正面正对DUT；双极化天线单元内部引入短路及开路调谐支节，展宽带宽。设计的腔体边缘与印制板上表面齐平使得腔体包围天线为一个创新点，它能减小天线阵中各单元之间互相影响。频率覆盖范围2.2GHz-2.8GHz。

安装步骤：1.先将两根同轴电缆使用螺钉锁紧在反射板上。2.将同轴电缆内外导体分别焊接在印制板上。3.装配上铝制腔体，且在铝制腔体与印制板之间加入四根尼龙柱，使用尼龙螺钉锁紧。

将8个双极化天线单元组成4×2天线探针阵如图2所示。其中，由于待测天线与天线探针阵是近距离相对测试，反射板必定会干扰测试精度，带来误差；所以本实施例在每个天线探针阵使用吸波材料进行吸收，吸波材料采用RAT橡胶平板吸波材料，反射率为12%且厚度仅为3mm，减小对测试天线的影响且减小反射对测试的影响。实际测试时，将天线探针阵与DUT天线相向放入测试安装架中，从上往下插入安装架中，使用锁紧装置（弹性锁紧圆柱）进行锁紧，按刻度圆柱调整天线探针阵与天线阵标准品之间的距离，读取数据（图3）。

实施例2

本实施例采用一种天线近场测试系统，由实施例1所述的天线近场测试设备、矢量网络分析设备及数据处理设备组成。

一种天线近场测试方法，使用所述的天线近场测试系统，包括以下步骤：

1） 设定天线探针阵1与天线阵标准品之间的标准距离L，L为30~200mm；

2）在非暗室环境中，将天线探针阵1插入天线探针阵安装框2-1中，将天线阵标准品插入待测天线阵安装框2-2中，天线探针阵与天线阵标准品相向放置，天线探针阵的中心与天线阵标准品中心相对，天线探针阵中双极化天线单元1-1个数与天线阵标准品中天线个数相等，每个双极化天线单元1-1与一个待测天线对应，移动安装框使天线探针阵与天线阵标准品之间的距离为L，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，矢量网络分析设备检测到的相位测试值和幅度测试值设为初始标定值；

3）在非暗室环境中，将天线探针阵1插入天线探针阵安装框2-1中，将待测天线阵插入待测天线阵安装框2-2中，天线探针阵与待测天线阵相向放置，且天线探针阵的中心与待测天线阵中心相对，天线探针阵中双极化天线单元1-1个数与待测天线阵中天线个数相等，每个双极化天线单元1-1与一个待测天线对应，移动安装框使天线探针阵与待测天线阵之间的距离为L，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，矢量网络分析设备检测相位测试值和幅度测试值；

4） 若步骤3）检测到的相位测试值和幅度测试值与初始标定值相同，则判断待测天线阵合格，否则不合格。

本实施例中步骤1中天线探针阵与天线阵标准品之间的标准距离L的设定过程，结合搭建暗室的传统天线近场测试方法进行估算，具体步骤如下：

测试步骤1-测试场景：

使用矢量网络分析仪，将天线探针阵与天线阵标准品中心相对进行测试，选择天线的距离为在感应场区与近场区内进行测量，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，选择不同距离l进行相位记录，读取Phase（S21）为Φ_A（°）；选择不同距离L进行幅度记录，读取Log（S21）为P_A（dB），其中A=1～16。（2.6GHz-2.7GHz频率范围，每一轮共测试16组数据，如图5所示。（L=35mm/45mm/65mm/85mm/105mm/113mm/145mm/160mm）

测试步骤2-天线阵标准品暗室标定：

使用喇叭天线在暗室测试天线阵标准品作为标准数据。如图6所示。使用网络分析仪，选择喇叭天线距天线阵标准品印制板距离M为485mm，达到天线远场区，且喇叭天线作为接收天线，天线阵标准品作为发射天线进行测试（天线阵标准品之前已完成微波暗室内平面近场测量，各项参数指标达到要求），极化相匹配，中心相对。共测试16组数据，读取Phase（S21）为Φ_B（°），读取Log（S21）为P_B（dB），其中B=1～16。

测试步骤3-探针暗室标定：

使用单探针天线在暗室测试天线探针阵，注意探针的种类需与天线探针阵一致。移动单探针天线测试天线探针阵的每一个单元，选择不同距离W进行相位记录，读取Phase（S21）为Φ_C（°）；选择不同距离W进行幅度记录，读取Log（S21）为P_C（dB），其中c=1～16。（2.6GHz-2.7GHz频率范围，每一轮共测试16组数据，如图7所示，（W=35mm/45mm/65mm/85mm/105mm/113mm/145mm/160mm）。

测试步骤4-计算修正：

将测试步骤1中相同位置相同频率的相位值减去测试步骤3中相同位置相同频率的相位值，看是否与测试步骤2标准相位值近似及变化趋势是否有相关性，即公式1。将测试步骤1中相同位置相同频率的幅度值减去测试步骤3中相同位置相同频率的幅度值，看是否与测试步骤2标准幅度值近似及变化趋势是否有相关性，即公式2。

Φ_B≈Φ_A-Φ_C （1）

P_B≈P_A-P_C （2）

此时：A、B、C取相同的值，即选择同一位置的天线及探针。

通过测试，发现此种方法经过运算后与喇叭测试天线阵标准品的标准数据接近且有相关性。找寻一组最接近测试值，记录天线探针阵与天线阵标准品的相对距离为85mm。这样，每次测试新待测天线阵时，只需将天线探针阵与天线阵标准品距离调至85mm，使用网络分析仪检查相位测试值与幅度测试值是否与最初标定值相等（测试步骤1），就能判断天线是否合格。

Claims (10)

1.一种天线近场测试设备，其特征在于：包括天线探针阵（1）和测试安装架（2），所述测试安装架（2）上设置有天线探针阵安装框（2-1）和待测天线阵安装框（2-2），天线探针阵安装框（2-1）与待测天线阵安装框（2-2）平行设置，且距离为30~200mm；所述天线探针阵（1）包括排列在同一平面上的多个双极化天线单元（1-1）和用于固定所述双极化天线单元（1-1）的天线单元固定架（1-2）；所述双极化天线单元（1-1）外部为一个长方形铝制腔体（1-11），铝制腔体（1-11）底部连接反射板（1-12），反射板（1-12）上表面中部连接两根同相位同轴电缆（1-13），同轴电缆（1-13）顶部连接印制板（1-14），印制板（1-14）上表面同铝制腔体（1-11）上端边缘同平齐；天线探针阵中所有双极化天线单元的印制板上表面处于同一平面。

2.根据权利要求1所述的天线近场测试设备，其特征在于：所述同轴电缆（1-13）通过螺钉锁紧在反射板（1-12）上，所述同轴电缆（1-13）的内外导体分别焊接在印制板（1-14）上，铝制腔体（1-11）与印制板（1-14）之间设置4根尼龙支撑柱（1-15），使用尼龙螺钉锁紧，铝制腔体（1-11）上边缘中部设置限位槽限位印制板（1-14）。

3.根据权利要求1所述的天线近场测试设备，其特征在于：双极化天线单元（1-1）内部设置短路调谐支节和开路调谐支节。

4.根据权利要求1所述的天线近场测试设备，其特征在于：所述天线探针阵（1）排列有8个双极化天线单元（1-1），上下两个各设置4个双极化天线单元（1-1）两两对齐；天线单元固定架（1-2）还设置有16根延长同轴电缆组件（1-3）。

5.根据权利要求1所述的天线近场测试设备，其特征在于：所述双极化天线单元（1-1）的铝制腔体（1-11）内壁与反射板（1-12）两端的空间内设置吸波材料（1-16）。

6.根据权利要求5所述的天线近场测试设备，其特征在于：所述吸波材料（1-16）为RAT橡胶平板。

7.根据权利要求1所述的天线近场测试设备，其特征在于：测试安装架（2）上还设置有刻度圆柱杆（2-3）、第一锁紧装置（2-4）和第二锁紧装置（2-5）；所述天线探针阵安装框（2-1）和待测天线阵安装框（2-2）中至少一个可以沿所述刻度圆柱杆（2-3）移动；所述第一锁紧装置（2-4）用于将所述天线探针阵安装框（2-1）及待测天线阵安装框（2-2）锁紧在刻度圆柱杆（2-3）上，所述第二锁紧装置（2-5）用于锁紧所述天线探针阵（1）及所述待测天线阵。

8.一种天线近场测试系统，由权利要求1所述的天线近场测试设备、矢量网络分析设备及数据处理设备组成。

9.一种天线近场测试方法，使用权利要求8所述的天线近场测试系统，其特征在于：包括以下步骤：

1）设定天线探针阵（1）与天线阵标准品之间的标准距离L，L为30~200mm；

2）在非暗室环境中，将天线探针阵（1）插入天线探针阵安装框（2-1）中，将天线阵标准品插入待测天线阵安装框（2-2）中，天线探针阵与天线阵标准品相向放置，天线探针阵的中心与天线阵标准品中心相对，天线探针阵中双极化天线单元（1-1）个数与天线阵标准品中天线个数相等，每个双极化天线单元（1-1）与一个标准天线对应，移动安装框使天线探针阵与天线阵标准品之间的距离为L，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，矢量网络分析设备检测到的相位测试值和幅度测试值设为初始标定值；

3）在非暗室环境中，将天线探针阵（1）插入天线探针阵安装框（2-1）中，将待测天线阵插入待测天线阵安装框（2-2）中，天线探针阵与待测天线阵相向放置，且天线探针阵的中心与待测天线阵中心相对，天线探针阵中双极化天线单元（1-1）个数与待测天线阵中天线个数相等，每个双极化天线单元（1-1）与一个待测天线对应，移动安装框使天线探针阵与待测天线阵之间的距离为L，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，矢量网络分析设备检测相位测试值和幅度测试值；

4）若步骤3）检测到的相位测试值和幅度测试值与初始标定值相同，则判断待测天线阵合格，否则不合格。

10.根据权利要求9所述的天线近场测试方法，其特征在于：所述步骤1）中天线探针阵与天线阵标准品之间的标准距离L的设定，结合搭建暗室的传统天线近场测试方法进行估算，具体步骤为：

测试步骤1：非暗室环境，使用矢量网络分析仪，将天线探针阵与天线阵标准品中心相对进行测试，距离l为在感应场区与近场区，天线探针阵与天线阵标准品采用同极化进行发射与接收，选择不同距离l进行相位记录，记为Φ_A；选择不同距离l进行幅度记录，记为 P_A，其中A=1～N，N为标准品天线阵中的天线的个数；

测试步骤2：天线阵标准品暗室标定：使用喇叭天线在暗室测试天线阵标准品作为标准数据，使用网络分析仪，使喇叭天线距天线阵标准品印制板距离M达到天线远场区，喇叭天线作为接收天线，天线阵标准品作为发射天线进行测试，极化相匹配，中心相对，共测试N组数据，进行相位记录，记为Φ_B，进行幅度记录，记为 P_B，其中B=1～N；

测试步骤3：探针暗室标定：使用单探针天线在暗室测试天线探针阵，探针的种类与天线探针阵一致，移动单探针天线测试天线探针阵的每一个天线单元，选择不同距离W进行相位记录，记为Φ_C；选择不同距离W进行幅度记录，记为 P_C，其中C=1～N，W的Ｎ种选择与ｌ的Ｎ种选择完全相同；

测试步骤4：计算修正：将测试步骤1中相同位置相同频率的相位值减去测试步骤3中相同位置相同频率的相位值，与测试步骤2标准相位值进行比较，即在A=B=C时，比较Φ_A-Φ_C与Φ_B值；且将测试步骤1中相同位置相同频率的幅度值减去测试步骤3中相同位置相同频率的幅度值，与测试步骤2标准幅度值进行比较，即在A=B=C时，比较P_A-P_C与P_B值； 找出Φ_A-Φ_C与Φ_B及 P_A-P_C与P_B最接近时选择的l值，即设定其为标准距离L。