CN112557769A

CN112557769A - 片上天线测试系统及测试方法

Info

Publication number: CN112557769A
Application number: CN202011322662.2A
Authority: CN
Inventors: 卜景鹏; 东君伟; 苏栋材; 吴嘉华
Original assignee: Zhongshan Xiangshan Microwave Technology Co ltd
Current assignee: Zhongshan Xiangshan Microwave Technology Co ltd
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112557769B

Abstract

本发明提供了一种片上天线测试系统及其实施的测试方法，其中，测试系统包括具有安装法兰的伺服机构、激光测距仪、测试探头及探针台，所述探针台用于放置待测天线，所述激光测距仪用于设置在伺服机构的安装法兰上被伺服机构驱动获取待测天线与激光测距仪之间的距离以供获取待测天线的本地坐标系，所述测试探头用于替换激光测距仪安装于安装法兰上对待测天线进行扫描测试。通过采用激光测距仪获取待测天线的距离，得到待测天线的精确的几何位置，进而可建立待测天线的本地坐标系及扫描坐标系，测试系统的结构及操作简单，有利于提高校准效率，降低成本。

Description

片上天线测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及天线测试技术领域，具体而言，本发明涉及一种片上天线测试系统及其实施的测试方法。

背景技术

目前，随着通信频率的提升，天线的尺寸越来越小，目前天线已经能够集成于芯片之上，即构成片上天线。片上天线的测试为已有的天线测试测试设备和测试方法提出了挑战，业界也急需能够适合片上天线的天线测试系统。

片上天线测试系统的关键性能在于让系统精确地确定待测天线的位置，只有精确地确定待测天线的位置，建立以待测天线为中心的坐标系，进而伺服系统以该坐标系为基准建立各种扫描坐标系，才能实现天线近场或远场扫描，从而获得天线精确的辐射性能。低频天线由于尺寸足够大，容易采用传统物理方法对准，而片上天线尺寸仅几毫米，甚至更小，定位精度必须达到天线尺寸的1/100，而且定位待测天线必须通过无触碰的方式实现定位，以防止待测天线的损坏。对于毫米波天线来说，由于其较小的口径辐射面以及波长的限制，微弱的差别可以导致较大的相位误差来源，对测试结果的影响巨大，因此，对于毫米波天线来说，典型的天线尺寸约1mm，因此定位精度要求达到10um。

目前无触碰定位技术包含磁场定位、惯导定位、光学定位技等术。各种定位技术多种多样，例如高精度的GPS定位技术比较昂贵，但定位精度最高为毫米级，显然不满足片上天线的定位要求。惯导定位技术是一种短时间定位精度较高自主式定位方式，但其存在累计误差，长时间的工作会影响定位精度，不适合在工业生产中连续性的高强度运行。

发明内容

本发明的首要目的旨在提供一种定位精度高、成本较低的片上天线测试系统。

本发明的另一目的旨在提供一种上述片上天线测试系统实施的片上天线测试方法。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种片上天线测试系统，包括：具有安装法兰的伺服机构、激光测距仪、测试探头及探针台，所述探针台用于放置待测天线，所述激光测距仪用于设置在伺服机构的安装法兰上被伺服机构驱动获取待测天线与激光测距仪之间的距离以供获取待测天线的本地坐标系，所述测试探头用于替换激光测距仪安装于安装法兰上对待测天线进行扫描测试。

可选地，所述伺服机构包括六轴工业机器人，所述测试探头为测试天线或测试探针。

可选地，所述测试探头按基于待测天线本地坐标系构建的平面扫描坐标系，对待测天线进行近场测试；或者测试探头按基于待测天线本地坐标系构建的弧线扫描坐标系，对待测天线进行远程测试。

作为第二方面，本发明提供一种片上天线测试方法，其由上述片上天线测试系统实施，包括以下步骤：

步骤一：获取待测天线与激光测距仪的间距并基于间距获得待测天线的本地坐标系；

步骤二：基于待测天线的本地坐标系构建扫描坐标系，按扫描坐标系对待测天线进行扫描，完成测试任务。

可选地，步骤一包括：在伺服机构上安装激光测距仪；调整伺服机构位置，通过激光测距仪获取待测天线与激光测距仪的间距；根据所测得的间距计算待测天线的本地坐标系。

可选地，所述调整伺服机构位置，通过激光测距仪获取待测天线与激光测距仪的间距的步骤包括：

驱使激光测距仪对准待测天线当前特征点，记录安装法兰当前坐标及激光测距仪与待测天线之间的间距；

调整激光测距仪的位置使其对准待测天线下一个特征点，并记录对应的安装法兰坐标和间距；

依上述步骤调整激光测距仪位置使其对准待测天线的多个特征点，并记录对应的激光测距仪坐标和间距，其中，所述多个特征点位于同一平面；

形成安装法兰坐标系和待测天线坐标系。

进一步地，在对待测天线扫描之前，计算出安装法兰坐标系与待测天线坐标系之间的校准关系，所述校准关系包括安装法兰坐标所形成第一平面与待测天线特征点所形成第二平面之间的夹角和相对高度。

可选地，所述夹角包括第一夹角和第二夹角，所述第一夹角由第一平面中心到第一边中点连线与第二平面中心到第二平面上与第一边对应的边中点连线限定而成，第二夹角由第一平面中心到与第一边相邻的第二边中点连线与第二平面中点到第二平面上与第二边对应的边中点连线限定而成；

所述相对高度包括第一间距和第二间距，所述第一间距为第一边相对第二平面与第一边相应的边之间的间距，所述第二间距为第二边相对第二平面与第二边相应的边之间的间距。

可选地，步骤二中，包括以下步骤：

取下激光测距仪，在伺服机构上安装测试探头；

基于待测天线的本地坐标系，构建扫描坐标系；

伺服机构带动测试探头按照扫描坐标系运动，对待测天线进行扫描。

可选地，所述扫描坐标系为平面扫描坐标系或弧线扫描坐标系，并且扫描坐标系的各坐标轴平行于待测天线本地坐标系对应的坐标轴。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的片上天线测试系统及测试方法，采用激光测距原理对待测天线进行定位校准，得到待测天线的精确的几何位置，进而可建立待测天线的本地坐标系及扫描坐标系，测试系统的结构及操作简单，有利于提高校准效率，降低成本。另外，采用六轴工业机器人作为驱动机构来驱动激光测距仪对待测天线进行校准，驱动测试探头对待测天线进行扫描，待测天线无须水平放置，可倾斜放置，校准后，伺服机器人会自动地按照倾斜的坐标系进行扫描，测试的自主自由度较大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一种实施例提供的片上天线测试系统的结构示意图，示出激光测距仪安装于伺服机构对待测天线进行定位校准；

图2为本发明的片上天线测试系统对待测天线进行视觉校准的流程图；

图3为本发明的片上天线测试系统的；

图4为本发明一种实施例提供的片上天线测试系统的结构示意图，示出测试探头安装于伺服机构对待测天线进行扫描测试；

图5为本发明一种实施方式的片上天线测试系统进行近场测试的示意图，示出基于本地坐标系建立的平面扫描坐标系；

图6为本发明另一种实施方式的片上天线测试系统进行远程测试的示意图，示出基于本地坐标系建立的弧线扫描坐标系。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“连接”可以是直接相接，也可是通过中间部件(元件)间接连接。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元一定为不同的装置、模块或单元，也并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

参见图1至图6，本发明涉及一种片上天线测试系统(以下简称“测试系统”)及其实施的测试方法，用于测试片上天线的辐射性能。该测试系统及测试方法采用激光测距的原理对片上天线进行定位校准，定位精度高、效率快，并且成本较低。

其中，测试系统包括探针台3、伺服机构1、激光测距仪2及测试探头5，其中探针台3用于放置待测的片上天线(以下简称“待测天线4”)；所述激光测距仪2用于安装到伺服机构1上，在天线测试的校准环节中获取待测天线4与激光测距仪之间的相对高度，获得待测天线的精确的几何位置，以供计算出待测天线的本地坐标系22及进一步计算出扫描坐标系；所述测试探头用于替换激光测距仪安装到伺服机构上，在天线测试的扫描环节中，对待测天线进行扫描，从而获得待测天线的辐射性能。

应当理解地，本发明还涉及到上位计算机(图未示)和矢量网络分析仪(图未示)，从而通过上位计算机控制伺服机构实现激光测距仪2和测试探头5的运动轨迹调节，对激光测距仪2与待测天线4之间的相对关系进行计算、控制信号发射和接收及对测试结果进行处理，通过矢量网络分析仪输出测试信号，并接收及处理测试信号。

可选地，所述伺服机构1为六轴工业机器人，测试探头5为测试天线或测试探针。通过选用六轴工业机器人作为驱动机构，驱动机构来驱动激光测距仪对待测天线进行校准，驱动测试探头对待测天线进行扫描，具有较大的自由度，待测天线无须水平放置，即待测天线可倾斜放置，校准后，六轴工业机器人会带动测试探头自动地按照倾斜的坐标系进行扫描，测试的自主自由度较大。

请结合图5和图6，扫描坐标系的各坐标轴平行于待测天线本地坐标系对应的坐标轴。可选地，扫描坐标系可以为平面扫描坐标系23，用于对待测天线4进行近场测试；扫描坐标系也可以是弧线扫描坐标系24，用于对待测天线进行远场测试。具体可根据测试任务，由上位计算机输出控制指令，控制机器人带动测试探头按扫描坐标系移动，对待测天线进行扫描。

所述平面扫描坐标系，是指测试探头在伺服机构带动下，对待测天线进行扫描测试时，伺服机构安装法兰沿平面移动，该种测试时，法兰坐标系在同一高度的平面上。

所述弧线扫描坐标系，是指测试探头在伺服机构带动下，对待测天线进行扫描测试时，伺服机构安装法兰沿弧线运动，该种测试时，法兰坐标系在不同高度上，体现为弧形。

所述测试方法由上述测试系统实施，在待测天线放置于探针台上后，实施以下步骤：

其中，步骤一为通过激光测距仪对待测天线进行定位校准环节，具体包括：在伺服机构上安装激光测距仪；调整伺服机构位置，通过激光测距仪获取待测天线与激光测距仪的间距；根据所测得的间距计算待测天线的本地坐标系。

形成安装法兰坐标系和待测天线坐标系。

可选地，所述夹角包括第一夹角和第二夹角，所述第一夹角由第一平面中心到第一边中点连线与第二平面中心到第二平面上与第一边对应的边中点连线限定而成，第二夹角由第一平面中心到与第一边相邻的第二边中点连线与第二平面中点到第二平面上与第二边对应的边中点连线限定而成。

请结合图3，在一种具体的校准过程中，待测天线顶面呈矩形，选择四点其顶点分别记为A’、B’、C’、D’，限定出待测天线坐标平面，即第二平面，待测天线坐标系以O’X’Y’Z’表示，其中O’为原点，X’为X轴方向，Y’为Y轴方向，Z’为Z轴方向。记录激光测距仪对准待测天线各个顶点时的安装法兰坐标A、B、C、D和激光测距仪2与待测天线4的间距h₁、h₂、h₃、h₄，同理地，法兰坐标A、B、C、D限定出第一平面，并可建立法兰坐标系，以OXYZ表示，其中O为原点，X为X轴方向，Y为Y轴方向，Z为Z轴方向。

在测距校准过程中，伺服机构移动时仅移动法兰坐标系的X轴和Y轴，也即激光测距仪在同一高度平面移动，陆续获得A、B、C、D四点的法兰坐标和相应的h₁、h₂、h₃、h₄四组距离，由于伺服移动时仅在XY平面内移动，因此A、B、C、D四点在同一个平面内，另外由于四边形ABCD是待测天线四边形A’B’C’D’的斜向投影，因此四边形ABCD为平行四边形；O点为A、C连线和B、D连线的交点，即平行四边形ABCD的中心，O’点为A’、C’连线和B’、D’连线的交点，即平行四边形A’B’C’D’的中心，OO’与AA’～DD’等四条线相互平行，且有：

取第一平面的第一边即A、B连线的中点E，以及第二平面的第一边A’、B’连线的中点E’，则线段EE’长度为第一间距，即(h₁+h₂)/2；取F点使O’F与OE平行，长度上O’F＝OE，则线段FE’的长度FE’＝h₁₂-h₀，其中距离OE可由机器人的法兰坐标读出，因此可以计算OX轴和O’X’轴之间的第一夹角Φ_x。

同样的，取第一平面的第二边即B、C连线的中点H，以及第二平面的第二边B’、C’连线的中点H’，线段HH’长度为第二间距，即(h₂+h₃)/2；取G点使O’G与OH平行，长度上O’G＝OH，GH’＝h₂₃-h₀，因此可以计算OY轴和O’Y’轴的第二夹角Φ_y。

由此，获得了Φ_x和Φ_y以及h₀，即可得到机器人法兰坐标所成第一平面与待测天线特征点所成第二平面之间的校准关系，也即获得法兰坐标系和待测天线本地坐标系的相对关系。

在具体天线测试扫描时，先将机器人的法兰坐标系调整到与待测天线坐标系平行，具体为法兰坐标系的X轴与待测天线X’轴平行且同向，法兰坐标系的Y轴与待测天线Y’轴平行且反向，法兰坐标系的Z轴与待测天线Z’轴平行且反向，具体扫描坐标系如图5和图6所示，分别为平面扫描坐标系和弧线扫描坐标系，用于分别对应为待测天线进行近场测试和远场测试。

在定位校准完成后，进行扫描测试过程，即执行上述步骤二，具体为：

首先，取下激光测距仪，在伺服机构上安装测试探头；

然后，基于待测天线的本地坐标系，构建如上所述的扫描坐标系。

最后，伺服机构带动测试探头按照所建立的扫描坐标系运动，对待测天线进行扫描，完成片上天线辐射性能的测试。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中发明的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims

1.一种片上天线测试系统，其特征在于，包括：具有安装法兰的伺服机构、激光测距仪、测试探头及探针台，所述探针台用于放置待测天线，所述激光测距仪用于设置在伺服机构的安装法兰上被伺服机构驱动获取待测天线与激光测距仪之间的距离以供获取待测天线的本地坐标系，所述测试探头用于替换激光测距仪安装于安装法兰上对待测天线进行扫描测试。

2.根据权利要求1所述的片上天线测试系统，其特征在于，所述伺服机构包括六轴工业机器人，所述测试探头为测试天线或测试探针。

3.根据权利要求1所述的片上天线测试系统，其特征在于，所述测试探头按基于待测天线本地坐标系构建的平面扫描坐标系，对待测天线进行近场测试；或者测试探头按基于待测天线本地坐标系构建的弧线扫描坐标系，对待测天线进行远程测试。

4.一种片上天线测试方法，其特征在于，由权利要求1至3任一项所述的片上天线测试系统实施，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的片上天线测试方法，其特征在于，步骤一包括：

在伺服机构上安装激光测距仪；

调整伺服机构位置，通过激光测距仪获取待测天线与激光测距仪的间距；

根据所测得的间距计算待测天线的本地坐标系。

6.根据权利要求5所述的片上天线测试方法，其特征在于，所述调整伺服机构位置，通过激光测距仪获取待测天线与激光测距仪的间距的步骤包括：

形成安装法兰坐标系和待测天线坐标系。

7.根据权利要求6所述的片上天线测试方法，其特征在于，在对待测天线扫描之前，计算出安装法兰坐标系与待测天线坐标系之间的校准关系，所述校准关系包括安装法兰坐标所形成第一平面与待测天线特征点所形成第二平面之间的夹角和相对高度。

8.根据权利要求7所述的片上天线测试方法，其特征在于，所述夹角包括第一夹角和第二夹角，所述第一夹角由第一平面中心到第一边中点连线与第二平面中心到第二平面上与第一边对应的边中点连线限定而成，第二夹角由第一平面中心到与第一边相邻的第二边中点连线与第二平面中点到第二平面上与第二边对应的边中点连线限定而成；

9.根据权利要求4所述的片上天线测试方法，其特征在于，步骤二中，包括以下步骤：

取下激光测距仪，在伺服机构上安装测试探头；

基于待测天线的本地坐标系，构建扫描坐标系；

10.根据权利要求9所述的片上天线测试方法，其特征在于，所述扫描坐标系为平面扫描坐标系或弧线扫描坐标系，并且扫描坐标系的各坐标轴平行于待测天线本地坐标系对应的坐标轴。