CN111624415B - 机器臂片上天线测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了机器臂片上天线测试系统及测试方法，其中，该测试系统包括：光学平台上设置有待测天线支撑台，待测天线支撑台用于固定支撑待测片上天线，光学平台上还设置有射频探针，射频探针的探头与待测片上天线相接触，射频探针用于向待测片上天线发送第一射频信号；机器臂设置于光学平台上，机器臂的末端设置有测试探头，测试探头位于待测片上天线的上方，测试探头用于接收待测片上天线发送的第二射频信号，其中，机器臂为多轴机器臂；光学平台下方还设置有气浮装置，以减小机器臂运动时光学平台的晃动。通过本申请中的技术方案，满足了毫米波片上天线方向图测试需求，并使得测试系统具备较强的测试灵活性与运动多样性。
Description
技术领域
本申请涉及片上天线测试设备的技术领域，具体而言，涉及机器臂片上天线测试系统以及机器臂片上天线测试方法。
背景技术
随着电子信息技术、通信技术及集成电路技术的飞速发展，目前无线通信及探测系统纷纷向着更高的频段发展。随着频率的提高，波长越来越短，特别是到毫米波频段，相应器件的体积尺寸就可以更小，因此片上系统获得了快速发展，目前已出现很多实用化毫米波片上天线。对于片上天线来说，收发天线是系统接收和发射信息的关键部件，收发天线性能特性的好坏直接决定了片上天线的性能特性。
为评估片上天线性能特性的好坏、评估实物产品同理论分析设计的吻合程度，需要对片上天线的方向图特性进行测试。
而现有技术中，毫米波片上天线通常多设计用于与芯片或封装一体化集成的通信/探测系统，没有独立的接头可供毫米波片上天线测试连接。并且，相对于低频段天线测试而言，毫米波片上天线的测试对测试探头的定位精度、天线芯片的夹持、馈电、不同方位幅相信息的收集等问题，都提出了更高的要求。
发明内容
本申请的目的在于：满足毫米波片上天线方向图测试需求，并使得测试系统具备较强的测试灵活性与运动多样性。
本申请第一方面的技术方案是：提供了机器臂片上天线测试系统，该系统包括：光学平台，机器臂，测试探头，射频探针以及待测天线支撑台；光学平台上设置有待测天线支撑台，待测天线支撑台用于固定支撑待测片上天线，光学平台上还设置有射频探针，射频探针的探头与待测片上天线相接触，射频探针用于向待测片上天线发送第一射频信号，其中，射频探针的探头采用共面波导结构压接在待测片上天线上；机器臂设置于光学平台上，机器臂的末端设置有测试探头，测试探头位于待测片上天线的上方，测试探头用于接收待测片上天线发送的第二射频信号，其中，机器臂为多轴机器臂；光学平台下方还设置有气浮装置，以减小机器臂运动时光学平台的晃动。
上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：第一滑动导轨；第一滑动导轨设置于机器臂的下方，第一滑动导轨用于拖动机器臂在光学平台上横向和/或纵向移动。
上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：第一变频模块；第一变频模块设置于机器臂的末端与测试探头之间，第一变频模块用于变换测试探头接收到的第二射频信号的频率。
上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：变频模块支撑台和第二变频模块；变频模块支撑台设置于光学平台的上方，变频模块支撑台上设置有第二变频模块，变频模块支撑台用于拖动第二变频模块在光学平台上水平和/或垂直移动；第二变频模块上设置有射频探针，第二变频模块用于变换射频探针向待测片上天线发送的第一射频信号的频率。
上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：光学显微镜；光学显微镜设置于光学平台的上，光学显微镜的探测区域正对于待测天线支撑台，光学显微镜用于获取测试探头、待测片上天线以及射频探针的位置。
上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：第二滑动导轨；第二滑动导轨设置于光学显微镜的底部，第二滑动导轨用于拖动光学显微镜在光学平台上横向和/或纵向移动。
上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：控制机柜；控制机柜包括终端显控系统、以及机器臂伺服控制机，终端显控系统用于获取光学显微镜检测到的位置，并根据位置向机器臂伺服控制机发送位置调整指令，终端显控系统还用于根据接收到的测试指令向机器臂伺服控制机发送测试移动指令，以及根据测试指令向矢量网络分析仪发送测试射频调整指令，机器臂伺服控制机连接于机器臂的控制端，机器臂伺服控制机用于控制机器臂运动，矢量网络分析仪连接于第一变频模块和第二变频模块，矢量网络分析仪用于调整第一变频模块和第二变频模块的输入输出频率。
上述任一项技术方案中，进一步地，矢量网络分析仪通过稳幅稳相射频电缆分别连接于第一变频模块和第二变频模块。
本申请第二方面的技术方案是：提供了机器臂片上天线测试方法，该方法适用于利用如第一方面技术方案中任一项所述机器臂片上天线测试系统对待测片上天线进行方向图特性测试。
本申请的有益效果是：
本申请中的技术方案，通过设置在光学平台上设置机器臂进行高精度多样化空间运动，利用待测天线支撑台对片上天线进行夹持，结合测试探头以及射频探针，能够执行平面近场、柱面近场、球面近场以及远场测试任务，满足毫米波片上天线方向图测试需求，测试能力强，实现了待测片上天线的方向图性能测试。
与传统的平面扫描天线测试系统相比，机器臂天线测试部署灵活，能够满足复杂多变的测试平台与测试环境。
附图说明
本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请的一个实施例的机器臂片上天线测试系统的示意图；
图2是根据本申请的一个实施例的测试系统控制架构的示意图；
图3是根据本申请的一个实施例的测试系统工作流程的示意图。
其中，1-光学平台；2-滑动导轨；3-机器臂；4-变频模块；5-测试探头；6-变频模块支撑台；7-变频模块；8-射频探针；9-待测片上天线；10-待测天线支撑台；11-滑动导轨；12-光学显微镜；13-控制机柜；14-终端显控系统；15-矢量网络分析仪；16-机器臂伺服控制机。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本实施例提供了机器臂片上天线测试系统，该系统包括：光学平台1，机器臂3，测试探头5，射频探针8以及待测天线支撑台10；光学平台1上设置有待测天线支撑台10，待测天线支撑台10用于固定支撑待测片上天线，光学平台1上还设置有射频探针8，射频探针8的探头与待测片上天线9相接触，射频探针8用于向待测片上天线发送第一射频信号，该第一射频信号经待测片上天线转发后，作为第二射频信号由测试探头5接收，以便得到待测片上天线的电磁场幅相分布。
具体的，待测天线支撑台10固定在光学平台1的台面中部，为待测天线9提供测试载台。射频探针8的探头采用共面波导结构压接在待测片上天线上，与待测片上天线9相接触。共面波导结构类似于处于同一平面的三根金属探针，金属探针之间等间距排列，处于两端的金属探针接地，处于中心的金属探针接射频信号。“压接”就是指共面波导结构以适当的压力接触到待测片上天线。
相应的，系统还包括：变频模块支撑台6和第二变频模块7；变频模块支撑台6设置于光学平台1的上方，靠近待测天线支撑台6，变频模块支撑台6上设置有第二变频模块7。
第二变频模块7上设置有射频探针8，射频探针8的另一端采用标准的射频连接器(如同轴、波导)与变频模块7互连，第二变频模块7用于变换射频探针8向待测片上天线发送的第一射频信号的频率，变频模块支撑台6用于拖动第二变频模块7在光学平台1上水平和/或垂直移动，进行微调，以实现射频探针8与待测天线9良好的电性能互连。
机器臂3设置于光学平台1上，位于台面的左侧，其中，系统还包括：第一滑动导轨2；第一滑动导轨2设置于机器臂3的下方，第一滑动导轨2用于拖动机器臂3在光学平台1上横向和/或纵向移动。
具体的，本实施例中的机器臂3为多轴机器臂，可以采用商用的协作型六轴机器臂，其末端有安装螺纹孔，具有5kg以上承载能力，其臂展能够达到1m以上，定位精度能够达到0.02mm以上，且具备连续、走停、人工拖曳或编程定位等运动功能，可实现包括平面、圆柱面、球面等各类测试模式的运动包络，能够满足毫米波片上天线的测试要求。
机器臂3底部安装在第一滑动导轨2上，滑动导轨2固定在光学平台1上的台面左端。机器臂3通过第一滑动导轨2可以在光学平台1上表面所在的水平面上做二维方向移动，即横向和纵向一定，以根据测试需要调整机器臂3末端安装的测试探头5的初始位置。
机器臂3的末端设置有测试探头5，测试探头5位于待测片上天线的上方，测试探头5用于接收待测片上天线发送的第二射频信号，以便得到待测片上天线的电磁场幅相分布，其中，系统还包括：第一变频模块4；第一变频模块4设置于机器臂3的末端与测试探头5之间，即测试探头5与第一变频模块4互连，第一变频模块4固定在机器臂3的末端，从而实现测试探头5跟随机器臂3完成平面、圆柱面、球面等各类复杂的轨迹运动，第一变频模块4用于变换测试探头5接收到的所述第二射频信号的频率。
具体的，本实施例中通过设置第一变频模块4和第二变频模块7，对第一射频信号的频率和第二射频信号的频率进行变换，以便于后续处理设备对第一、第二射频信号进行分析，现以矢量网络分析仪为例进行说明。
由于待测片上天线的工作频率一般较高(通常在40-300GHz范围内)，矢量网络分析仪输出到射频探针8的信号频率一般较低(通常在0-40GHz范围内)，因此，设置第二变频模块7对矢量网络分析仪输出的信号频率进行上变频，变频至待测片上天线的工作频率，经过待测天线9向空间辐射后，由测试探头5进行接收，即第二射频信号，以便得到待测片上天线的电磁场幅相分布。第二射频信号经第一变频模块4下变频，以作为矢量网络分析仪的输入，再通过矢量网络分析仪内部比较、计算，最终得到待测片上天线的不同空间幅相分布，即片上天线的方向图。需要说明的是，矢量网络分析仪的输入、输出频率相同。
进一步的，光学平台1具备较强承载能力，其下方设置有气浮装置以减小机器臂3运动时光学平台1的晃动，保证对待测片上天线9的测试精度。同时，光学平台1台面可调节与水平面完全对齐，且有多个安装螺纹孔，为台面上的设备提供安装固定点。
进一步的，系统还包括：光学显微镜12；光学显微镜12设置于光学平台1的上，其下方设置有第二滑动导轨11；第二滑动导轨11设置于光学显微镜12的底部，第二滑动导轨11用于拖动光学显微镜12在光学平台1上横向和/或纵向移动，以调整光学显微镜12的视觉位置，使得光学显微镜12的探测区域正对于待测天线支撑台10，光学显微镜12用于获取测试探头5、待测片上天线以及射频探针8的位置，以便于根据三者的位置对待测片上天线9、射频探针8以及测试探头5的相对位置校准，调整机器臂3和变频模块支撑台6，实现射频探针8与待测片上天线9的良好馈电，以及将测试探头5在测试开始前对准待测天线9的标定点，提高系统的测试精度。
为了减少周围金属物体对待测天线9方向图测试造成的影响，光学平台1、第一滑动导轨2、第二滑动导轨11、机器臂3、光学显微镜12、变频模块支撑台6和待测天线支撑台10应覆盖吸波材料。
进一步的，系统还包括：控制机柜13；控制机柜13包括终端显控系统14、矢量网络分析仪15以及机器臂伺服控制机16，终端显控系统14负责协调完成机器臂伺服控制机16、矢量网络分析仪15和光学显微镜12的伺服控制、状态读取、过程显示。
光学显微镜12检测到的测试探头5、射频探针8、待测片上天线9三者之间的位置以图像信息显示，终端显控系统14获取该位置后，利用图像信息处理方法，对获取到的位置进行处理，根据处理结果向机器臂伺服控制机16发送位置调整指令，以使机器臂3末端的测试探头5对准测试时的初始位置。
终端显控系统14还用于根据设定好的测试轨迹向机器臂伺服控制机16发送测试移动指令，以控制机器臂3按照测试轨迹进行移动。以及根据测试指令向矢量网络分析仪15发送测试射频调整指令，调整矢量网络分析仪15的输出频率，进而与第二变频模块7结合，实现对射频探针8的射频频率进行调整，最终得到待测片上天线9的电磁场幅相分布，完成对待测片上天线9的方向图特性测试。
终端显控系统14放置在控制机柜13里，采用COM、LAN等标准通讯接口与机器臂伺服控制机16、矢量网络分析仪15以及光学显微镜12实现时钟同步、数据传输。其中，矢量网络分析仪15通过稳幅稳相射频电缆分别连接于第一变频模块4和第二变频模块7，以完成对矢量网络分析仪15输入/输出的射频信号上下变频功能，使其具备毫米波片上天线测试能力。
矢量网络分析仪15的输入端连接于第一变频模块4，其输出端连接于第二变频模块7。
具体的，本实施例中的矢量网络分析仪15、射频探针8、测试探头5、变频模块支撑台6、待测天线支撑台10以及第一变频模块4和第二变频模块7构成待测片上天线9的射频探测系统。矢量网络分析仪15接收终端显控系统14的控制指令，配置相应的测试参数，如测试频率、功率电平等，协同机器臂3完成待测天线9在空间不同角度、不同位置的电磁场幅相分布采集，并将采集到的幅相数据回传给终端显控系统14进行数据分析。
机器臂伺服控制机16放置在控制机柜13里，机器臂伺服控制机16连接于机器臂3的控制端，机器臂伺服控制机16用于解析终端显控系统14的控制指令并产生相应的控制信号，控制机器臂3运动，具有运动控制及数据交互等功能，可根据测试需要，控制机器臂3完成平面、圆柱面、球面等各类复杂的轨迹运动。
本实施例还示出终端显控系统14、矢量网络分析仪15以及机器臂伺服控制机16的软甲架构实现方式，如图2所示。
考虑到测试系统的通用性与可扩展性，该系统软件架构采用构件化、模块化设计，由构件库、人机接口、执行引擎、控制接口等组成。人机接口集成了软件的各个功能模块，实现数据服务功能，能够对测试参数进行配置、对测试位置进行显示、以及对测试结果进行分析和存储。控制接口通过驱动程序将测试系统软件与硬件资源进行了关联，实现测试系统软件的底层调度。构件库是软件构件化开发的基础，包含欧拉角与四元素转换、坐标系定义、关节角与位置姿态转换等运动学功能构件，可根据测试需求，通过构件管理工具，对构件进行添加，实现功能扩展。执行引擎通过对构件进行动态调用，实现相应的测试功能。
为了有效地协同控制机器臂3、射频探测系统与光学定位系统(光学显微镜12和第二滑动导轨11)，终端显控系统14采用具有优良的跨平台特性的开发环境搭建，测试人员可采用C++等编程语言根据实际测试需求进行自定义图形化功能设计。
为了避免机器臂3在运动过程中与待测片上天线9、光学显微镜12等周围物体发生碰撞，终端显控系统14具有虚拟现实机器臂运动过程的图像功能，在设定好机器臂3的运动参数后，须先在终端显控系统14显示其运动过程，以确认无碰撞危险才能开始测试。
本实施例又示出机器臂片上天线测试方法，如图3所示，该方法包括：
步骤1，将待测片上天线9固定在待测天线支撑台10上；
步骤2，将光学显微镜12移动到靠近待测天线支撑台10的第一位置，并将光学显微镜12的光学镜头对准待测片上天线9所在区域，根据终端显控系统14获取到的射频探针8、待测片上天线9两者间的位置，调整变频模块支撑台6，将射频探针8精准地压接在待测天线9上；
步骤3，在终端显控系统14上配置测试模式，包括收发模式、扫描模式(平面、圆柱面、球面)、连续/走停模式、自动定点/手动拖曳模式等；
步骤4，将机器臂3移动到测试探头5靠近待测片上天线9的第二位置，协同光学显微镜12，将测试探头5精确对准测试时待测片上天线9的标定点，以此作为参考原点，并在终端显控系统14里编辑机器臂3具体的运动轨迹；
步骤5，观察终端显控系统14虚拟显示的机器臂3的运动轨迹，判断是否满足测试要求，例如运动中是否与周围物体存在碰撞，是否存在不能到达的奇异点等；
步骤6，如果机器臂3运动满足测试要求，则在终端显控系统14里设置矢量网络分析仪15的相关参数，如测试频率、功率电平等，如果不满足，重新执行步骤4，重新设置机器臂3的参考原点，编辑机器臂3具体的运动轨迹，直到虚拟显示满足测试要求为止；
步骤7，启动机器臂天线测试系统开始片上天线方向图特性测试；
步骤8，终端显控系统14协同控制机器臂3和矢量网络分析仪15，采集测试探头5在所设定空间位置的电磁场幅相数据，获取对应的电磁场幅相分布；
步骤9，终端显控系统14将采集到的电磁场幅相分布进行数据分析，完成方向图绘制，并输出、显示方向图特性测试结果。
以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了机器臂片上天线测试系统，该测试系统包括：光学平台，机器臂，测试探头，射频探针以及待测天线支撑台；光学平台上设置有待测天线支撑台，待测天线支撑台用于固定支撑待测片上天线，光学平台上还设置有射频探针，射频探针的探头与待测片上天线相接触，射频探针用于向待测片上天线发送第一射频信号，其中，射频探针的探头采用共面波导结构压接在待测片上天线上；机器臂设置于光学平台上，机器臂的末端设置有测试探头，测试探头位于待测片上天线的上方，测试探头用于接收待测片上天线发送的第二射频信号，其中，机器臂为多轴机器臂；光学平台下方还设置有气浮装置，以减小机器臂运动时光学平台的晃动。通过本申请中的技术方案，满足了毫米波片上天线方向图测试需求，并使得测试系统具备较强的测试灵活性与运动多样性。
在本申请中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本申请的原理进行说明，并非意在对本申请进行限制。
尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
Claims (9)
1.机器臂片上天线测试系统，其特征在于，该系统包括：光学平台(1)，机器臂(3)，测试探头(5)，射频探针(8)以及待测天线支撑台(10)；
所述光学平台(1)上设置有所述待测天线支撑台(10)，所述待测天线支撑台(10)用于固定支撑待测片上天线，所述光学平台(1)上还设置有所述射频探针(8)，所述射频探针(8)的探头与所述待测片上天线相接触，所述射频探针(8)用于向所述待测片上天线发送第一射频信号，其中，所述射频探针(8)的探头采用共面波导结构压接在所述待测片上天线上；
所述机器臂(3)设置于所述光学平台(1)上，所述机器臂(3)的末端设置有所述测试探头(5)，所述测试探头(5)位于所述待测片上天线的上方，所述测试探头(5)用于接收所述待测片上天线发送的第二射频信号，其中，所述机器臂为多轴机器臂；
所述光学平台(1)下方还设置有气浮装置，以减小所述机器臂(3)运动时所述光学平台(1)的晃动。
2.如权利要求1所述的机器臂片上天线测试系统，其特征在于，所述系统还包括：第一滑动导轨(2)；
所述第一滑动导轨(2)设置于所述机器臂(3)的下方，所述第一滑动导轨(2)用于拖动所述机器臂(3)在所述光学平台(1)上横向和/或纵向移动。
3.如权利要求1所述的机器臂片上天线测试系统，其特征在于，所述系统还包括：第一变频模块(4)；
所述第一变频模块(4)设置于所述机器臂(3)的末端与所述测试探头(5)之间，所述第一变频模块(4)用于变换所述测试探头(5)接收到的所述第二射频信号的频率。
4.如权利要求3所述的机器臂片上天线测试系统，其特征在于，所述系统还包括：变频模块支撑台(6)和第二变频模块(7)；
所述变频模块支撑台(6)设置于所述光学平台(1)的上方，所述变频模块支撑台(6)上设置有所述第二变频模块(7)，所述变频模块支撑台(6)用于拖动所述第二变频模块(7)在所述光学平台(1)上水平和/或垂直移动；
所述第二变频模块(7)上设置有所述射频探针(8)，所述第二变频模块(7)用于变换所述射频探针(8)向所述待测片上天线发送的所述第一射频信号的频率。
5.如权利要求4所述的机器臂片上天线测试系统，其特征在于，所述系统还包括：光学显微镜(12)；
所述光学显微镜(12)设置于所述光学平台(1)的上，所述光学显微镜(12)的探测区域正对于所述待测天线支撑台(10)，所述光学显微镜(12)用于获取所述测试探头(5)、所述待测片上天线以及所述射频探针(8)的位置。
6.如权利要求5所述的机器臂片上天线测试系统，其特征在于，所述系统还包括：第二滑动导轨(11)；
所述第二滑动导轨(11)设置于所述光学显微镜(12)的底部，所述第二滑动导轨(11)用于拖动所述光学显微镜(12)在所述光学平台(1)上横向和/或纵向移动。
7.如权利要求5所述的机器臂片上天线测试系统，其特征在于，所述系统还包括：控制机柜(13)；
所述控制机柜(13)包括终端显控系统(14)、以及机器臂伺服控制机(16)，
所述终端显控系统(14)用于获取所述光学显微镜(12)检测到的所述位置，并根据所述位置向所述机器臂伺服控制机(16)发送位置调整指令，所述终端显控系统(14)还用于根据接收到的测试指令向所述机器臂伺服控制机(16)发送测试移动指令，以及根据所述测试指令向矢量网络分析仪(15)发送测试射频调整指令，
所述机器臂伺服控制机(16)连接于所述机器臂(3)的控制端，所述机器臂伺服控制机(16)用于控制所述机器臂(3)运动，
所述矢量网络分析仪(15)连接于所述第一变频模块(4)和所述第二变频模块(7)，所述矢量网络分析仪(15)用于调整所述第一变频模块(4)和所述第二变频模块(7)的输入输出频率。
8.如权利要求7所述的机器臂片上天线测试系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪(15)通过稳幅稳相射频电缆分别连接于所述第一变频模块(4)和所述第二变频模块(7)。
9.机器臂片上天线测试方法，其特征在于，所述方法适用于利用如权利要求1至8中任一项所述机器臂片上天线测试系统对待测片上天线进行方向图特性测试。
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