CN111257658A - 一种毫米波封装天线自动化在线测试系统 - Google Patents

一种毫米波封装天线自动化在线测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种毫米波封装天线自动化在线测试系统，包括小型屏蔽箱、射频收发模块、收发天线探头、探头支架、待测天线接口板和上位机，所述收发天线探头、探头支架和待测天线接口板设置于小型屏蔽箱内，所述射频收发模块分别连接收发天线探头、待测天线接口板和上位机，所述收发天线探头安装于探头支架上；进行测试时，待测天线安装于待测天线接口板上，收发天线探头和待测天线同时将射频收发模块产生的某一特定频率信号辐射向小型屏蔽箱内的自由空间，并接收反馈信号，上位机采集收发天线探头和待测天线的天线信息，实现对待测天线性能的测试。与现有技术相比，本发明具有快速获得测试结果、节约成本和空间、可以在产线上大规模使用等优点。

Description

一种毫米波封装天线自动化在线测试系统
技术领域
本发明属于自动化测试设备领域，涉及一种毫米波封装天线测试方案，尤其是涉及一种毫米波封装天线自动化在线测试系统。
背景技术
随着5G通信技术的发展，毫米波频段被投入使用。封装天线由于其小巧的体积和极高的集成度，在终端、微基站的应用场景中成为了首选的解决方案。高通、英特尔、谷歌等公司已经研发出了针对28GHz、60GHz、94GHz等频段的封装天线，并准备投入使用。
现有的封装天线由于天线与射频部分高度集成，基本已经取消了用于传统传导测试的接口，大部分性能的测试都将通过空口测试(OTA)的方式测试。但由于，封装天线几乎都采用芯片级封装，如焊球阵列封装(BGA)、平面网格阵列封装(LGA)、插针网格阵列封装(PGA)等，不得不需要用到芯片测试机台的芯片级大规模探针接口。
在现有的毫米波封装天线测试方案中，主要通过大型芯片测试机台提供激励信号并且进行供电，通过矢量网络分析仪测试系统的S参数。其余性能则配合传统的微波暗室和基站模拟器进行测试，例如等效全向辐射功率(EIRP)、波束扫描性能、系统吞吐量、误差矢量幅度(EVM)、邻道干扰(ACPR)等。
现在已有的封装天线测试方案存在以下缺陷：
1)传统微波暗室体积巨大，无法在产线上大规模应用；
2)矢量网络分析仪、基站模拟器等设备非常昂贵，且测试的性能指标没有必要在生产线上一一进行测试；
3)现有的测试方案测试时间较长，无法满足产线在线测试的需求。
4)现有的测试方案需要经过的培训的熟练测试人员进行测试。
综上，现在的毫米波封装天线测试系统不能以较小的尺寸，较低的成本，实现在生产线上的大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的体积大、成本高、难以大规模应用的技术问题而提供一种毫米波封装天线自动化在线测试系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种毫米波封装天线自动化在线测试系统，包括小型屏蔽箱、射频收发模块、收发天线探头、探头支架、待测天线接口板和上位机，所述收发天线探头、探头支架和待测天线接口板设置于小型屏蔽箱内，所述射频收发模块分别连接收发天线探头、待测天线接口板和上位机，所述收发天线探头安装于探头支架上；
进行测试时，待测天线安装于待测天线接口板上，收发天线探头和待测天线同时将射频收发模块产生的某一特定频率信号辐射向小型屏蔽箱内的自由空间，并接收反馈信号，上位机采集收发天线探头和待测天线的天线信息，实现对待测天线性能的测试。
进一步地，所述小型屏蔽箱的尺寸小于1m×1m×1m。
进一步地，所述小型屏蔽箱内壁铺设有吸波材料层。
进一步地，所述收发天线探头设有多个，分布安装于所述探头支架上，多个所述收发天线探头通过开关阵列与射频收发模块连接。
进一步地，所述收发天线探头为宽波束双极化多频段天线探头。
进一步地，所述收发天线探头采用贴片天线或维瓦尔第天线。
进一步地，所述收发天线探头的E面半功率波束宽度在±60°以上，H面宽度为40°以上。
进一步地，所述探头支架为一维支架或二维支架。
进一步地，所述射频收发电路包括射频发射电路与接收机，射频发射电路与接收机间通过一个10MHz信号进行同步。
进一步地，所述射频发射电路包括信号源与倍频电路，所述信号源由锁相环芯片搭配压控振荡器芯片构成，该信号源产生可以在一定频率范围内变化的中频信号，所述倍频电路由乘法器芯片构成，将信号源产生的中频信号倍频到毫米波频段。
进一步地，所述接收机由低噪声放大器、乘法器、功率检测电路、相位检测电路和单片机构成。所述低噪声放大器将信号放大至功率检测器的动态范围内，所述乘法器将射频信号转换至功率检测器工作的中频频段，所述功率检测电路由功率检测芯片与模数转换芯片构成，所述相位检测电路由鉴相器芯片与模数转换芯片构成，所述的单片机电路通过读取模数转换芯片的数据，计算出接收功率值和接收信号相位，生成自动化校准数据，并传送给上位机。
进一步地，所述待测天线接口板上设有用于安装待测天线的待测天线接口。
进一步地，所述待测天线接口板连接有电源。
进一步地，以基站模拟器、频谱仪与变频模块的组合替换所述射频收发模块。
上述测试系统可以快速测试出封装天线的带宽、扫描角、等效全向辐射功率，配合综合测试仪和频谱仪扩展后可以测试矢量幅度误差和吞吐率
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明使用小型屏蔽箱代替传统大型微波暗室，隔绝外来信号并消除回波干扰的同时降低成本，并使用固定的探头支架代替转台和摇臂以进一步节约成本和空间。
2、本发明探头支架上的宽波束双极化天线探头可以根据测试需求进行灵活布置，进行一维扫描或二维扫描性能的测试，一般布置在0°、最大扫描角等。收发天线探头是多频段的，可以采用同一个天线满足多个AiP的测试需求，而不用改变测试配置。双极化天线可以同时接收两个极化的信号，提高测试速度的同时，也可以更好的模拟基站天线。
3、本发明解决了现有封装天线测试方案中体积大、成本高、难以大规模应用、操作人员需要进行培训的缺陷。
4、本发明可以快速测试出封装天线的带宽、扫描角、等效全向辐射功率，配合综合测试仪和频谱仪扩展后可以测试矢量幅度误差和吞吐率。
5、相比已有的封装天线测试方案，本发明以较小的体积，较低的成本可以准确的测试出封装天线的扫描性能、工作带宽、EIRP等性能，可以满足日后在生产线上大规模在线测试的需求。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为本发明的优选实施例的针对一维扫描封装天线的探头支架与宽波束天线探头的布置图，(2a)为侧视图，(2b)为俯视视图；
图3为本发明的优选实施例的针对二维扫描封装天线的探头支架与宽波束天线探头的布置俯视图；
图4为本发明的优选实施例的射频发射电路原理框图；
图5为本发明的优选实施例的射频接收电路原理框图；
图6为本发明的优选实施例的扩展系统框图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种可以在产线上大规模使用的毫米波封装天线自动化在线测试系统，包括小型屏蔽箱3、射频收发模块、收发天线探头1、探头支架2、待测天线接口板4和上位机，收发天线探头1、探头支架2和待测天线接口板4设置于小型屏蔽箱3内，以屏蔽外界干扰，射频收发模块分别连接收发天线探头1、待测天线接口板4和上位机，收发天线探头1安装于探头支架2上；射频收发模块包括射频发射电路6和接收机5，进行测试时，待测天线10安装于待测天线接口板4上，收发天线探头1和待测天线10同时将射频发射电路6产生的某一特定频率信号辐射向小型屏蔽箱3内的自由空间，并接收反馈信号，发送至接收机5，上位机采集收发天线探头1和待测天线的天线信息，实现对待测天线性能的测试。
小型屏蔽箱3的尺寸根据待测封装天线的远场条件决定，满足远场条件即可，一般小于1m×1m×1m，体积远小于传统全波暗室。小型屏蔽箱3内壁铺设有吸波材料层8，以消除反射信号。
收发天线探头1能够将射频发射电路6产生的某一特定频率的信号，辐射向自由空间，同时能够接收自由空间中的某一特定频率的信号，并传输给接收机5。收发天线探头1为宽波束双极化多频段天线探头，其适用频率可以根据待测封装天线的频段专门设计，以配合测试。E面半功率波束宽度在±60°以上(即半功率波瓣宽度在120°以上)，H面宽度为40°以上。收发天线探头1可采用零阶谐振的双极化贴片天线(实现E面125°，H面110°的宽波束)、利用等效磁偶极子的双极化贴片天线(在E面实现了宽波束的同时，还能覆盖极宽的带宽)或者采用端射的正交的两个宽带维瓦尔第天线构成。根据待测封装天线频段和波束扫描特性，可以配置不同的天线探头。
收发天线探头1的数量和位置可以根据待测封装天线所需的测试角度灵活搭配安装和调整。收发天线探头1在设有多个时，分布安装于探头支架2上，多个收发天线探头1通过开关阵列7与射频收发模块连接，开关阵列7用于对使用的收发天线探头进行切换，有效节约了电路规模与整体成本。本实施例中，收发天线探头1设有两个，包括一个24-45GHz的双极化天线和一个60GHz频段的双极化天线。
探头支架2可根据待测封装天线的特性可以灵活的配置为一维支架或二维支架。如图2所示，待测封装天线只能一维扫描时，探头支架也一维布置，天线探头分布在0°、±最大扫描角等位置。如图3所示，待测封装天线为二维波束扫描时，探头支架也有相对的二维布置方式，可以完整的测试封装天线的收发性能。
射频发射电路6和接收机5均为射频收发模块，可以互为收发，通过一个10MHz信号同步，则可以测试封装天线的收发性能。射频发射电路6包括信号源与倍频电路，信号源由锁相环芯片搭配压控振荡器芯片构成，该信号源产生可以在一定频率范围内变化的中频信号，所述倍频电路由乘法器芯片构成，将信号源产生的中频信号倍频到毫米波频段。如图4所示，射频发射电路6使用一个频率较低的锁相环产生中频信号，锁相环包括鉴相器61、环路滤波器62、压控振荡器63和分频64，并使用矢量乘法器64倍频至待测的毫米波频段。
如图5所示，射频收发模块中的接收机5包括低噪声放大器51、矢量乘法器52、功率检测电路、相位检测电路和单片机。所述低噪声放大器51将信号放大至功率检测器的动态范围内，所述矢量乘法器52将射频信号转换至功率检测器工作的中频频段，所述功率检测电路由功率检测芯片53与模数转换芯片54构成，所述相位检测电路由鉴相器芯片55与模数转换芯片56构成，所述的单片机电路通过读取模数转换芯片的数据，计算出接收功率值和接收信号相位，生成自动化校准数据，并传送给上位机。接收机5通过功率检测器探测接收到的信号功率，输出对应的电压信号，然后利用模数转换电路进行采样，还原出准确的信号功率。相位检测电路将耦合出来的一部分中频信号与10MHz同步信号输入鉴相器，利用模数转换电路读取鉴相器输出的电压波形，计算出接收信号相位。
待测天线接口板4上设有用于安装待测天线的待测天线接口，为定制接口板。由于不同封装天线的接口形式、引脚定义、尺寸，供电需求都不同，且由于待测封装天线采用的是焊球阵列封装，且自定义了接口引脚，因此要针对该封装天线设计专用的测试接口板。同时，由于不同的封装天线需要的供电能力也不同，所以电源管理部分也需要专门设计。因此，所述毫米波封装天线自动化在线测试系统会根据待测封装天线的特性设计专用接口板，以保证待测封装天线模组的正常工作。
射频收发电路通过待测天线接口板4与待测毫米波封装天线连接，提供射频激励与电源9。射频收发电路通过待测天线接口板4根据待测毫米波封装天线的接口定义与封装方式定制接口。
上述毫米波封装天线自动化在线测试系统工作时，在各个频点和角度对封装天线的每一个通道进行收发性能测试，得到幅度与相位信息，通过运算生成校准文件。对每一个待测封装天线进行针对性的通道一致性校准。
实施例2
如图6所示，本实施例提供的毫米波封装天线自动化在线测试系统中，以基站模拟器、频谱仪与变频模块的组合件10替换射频收发模块。通过基站模拟器、频谱仪与变频模块进行误差矢量幅度、邻道泄露比和吞吐量的测试。在该扩展配置中，尽管测试速度会变慢，但是可以完整的测试待测封装天线的完整性能。
本实施例的毫米波封装天线自动化在线测试系统的主要工作步骤包括：
1、根据封装天线的测试需求，配置一维或二维探头支架，并在相应测试角度安装收发天线探头。
2、使用基站模拟器+信道模拟器模拟真实的传播环境，测试吞吐率。
3、通过开关阵列切换各个测试角度上的收发天线探头。
4、如果需要测试辐射方向图，则可以通过配置网络分析仪完成，判断待测封装天线的接收与发射性能。
5、通过判断各个测试探头的吞吐率，判断待测封装天线的扫描能力以及通信性能。进而判断是否为合格品。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，包括小型屏蔽箱(3)、射频收发模块、收发天线探头(1)、探头支架(2)、待测天线接口板(4)和上位机，所述收发天线探头(1)、探头支架(2)和待测天线接口板(4)设置于小型屏蔽箱(3)内，所述射频收发模块分别连接收发天线探头(1)、待测天线接口板(4)和上位机，所述收发天线探头(1)安装于探头支架(2)上；
进行测试时，待测天线安装于待测天线接口板(4)上，收发天线探头(1)和待测天线同时将射频收发模块产生的某一特定频率信号辐射向小型屏蔽箱(3)内的自由空间，并接收反馈信号，上位机采集收发天线探头(1)和待测天线的天线信息，实现对待测天线性能的测试。
2.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，所述小型屏蔽箱(3)的尺寸小于1m×1m×1m。
3.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，所述小型屏蔽箱(3)内壁铺设有吸波材料层(8)。
4.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，所述收发天线探头(1)设有多个，分布安装于所述探头支架(2)上，多个所述收发天线探头(1)通过开关阵列(7)与射频收发模块连接。
5.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，所述收发天线探头(1)为宽波束双极化多频段天线探头。
6.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，所述收发天线探头(1)采用贴片天线或维瓦尔第天线。
7.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，所述收发天线探头(1)的E面半功率波束宽度在±60°以上，H面宽度为40°以上。
8.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，所述探头支架(2)为一维支架或二维支架。
9.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，，所述待测天线接口板(4)上设有用于安装待测天线的待测天线接口。
10.根据权利要求1所述的毫米波封装天线自动化在线测试系统，其特征在于，，以基站模拟器、频谱仪与变频模块的组合替换所述射频收发模块。
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