CN113396335B - 探头、阵列探头、探测器及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于近场测量的非接触、非谐振型定向探头(1)，其可测量宽带中高频率的天线属性，包括：同轴线(2)，其中的内导体(2a)通过绝缘体(2b)同轴地被外导体(2c)包围；以及连接导体(3)，其沿平行于所述同轴线(2)的端面的单轴方向延伸且在所述内导体(2a)与所述外导体(2c)之间电连接。特别地，所述连接导体(3)将与所述单轴方向关于所述连接导体(3)相交的方向上的电场进行时间偏移，从而通过检测施加于所述内导体(2a)与所述外导体(2c)之间的电压，可以检测所述单轴方向上的电场分量，通过检测通过所述连接导体(3)感应到的电流，可以检测出与所述单轴方向相交的方向上的磁场分量。

Description

探头、阵列探头、探测器及方法

背景技术

1、技术领域

本发明涉及一种探头、阵列探头、探测器和用于检测高频信号的方法。

2、相关技术

符合第五代(5th Generation，简称5G)移动通信标准的基站、通信终端等的技术发展已经成熟，需要一种用于测试5G设备中包括的无线天线的幅度属性和相位属性(称为天线属性)等属性的测试探头。通常，无线天线中并不提供测试端口，因此，可以使用OTA(Over The Air，空中)方法检测天线属性，即，无需与所述天线的外部接触。然而，由于5G中使用的频段(即，带宽为850MHz的28GHz频段、带宽为1.6GHz或1.4GHz的39GHz频段或带宽为2GHz的73GHz频段)比传统的3G或4G标准中使用的频段更高，因此，在近场测量中，需要检测无线天线的天线属性。此外，由于频带很宽，需要一种非谐振型探头。

专利文件1公开了一种通过与印刷电路板接触来测量阻抗的同轴接触式探头，其中，所述探头包括由刚性电缆构成的探头主体、尖端具有导电性的内导体和外导体以及在二者之间具有绝缘层的接触部。然而，这种接触式探头不能用于OTA检测。专利文件2公开了一种通过检测天线振子感应到的电压来检测电场或磁场的电磁场检测探头，其中，所述探头包括同轴线以及设置于尖端并与其电连接的天线振子，在具有导电薄膜的绝缘膜上形成预定形状的天线模式。然而，包括这种配置的探头的传统非接触式探头用于远场测量，具有测量限制，例如，最高频率为6GHz。在目标高频频段上使用这种探头进行近场测量时，会由于相互耦合(也称为交叉耦合)而无法正常检测天线属性。

专利文件1：公开号为2001-296314的日本专利申请。

专利文件2：公开号为2008-298508的日本专利申请。

发明内容

本发明实施例，例如，本文所描述的实施例，可以提供一种互耦小、用于近场测量的非接触、非谐振型探头，该探头能够测量宽带中的高频率的天线属性，并且提供了包括该探头的探测器。

本发明的第一方面提供了一种用于检测高频信号的探头，包括：同轴线，其中的内导体通过绝缘体被外导体同轴地包围；以及连接导体，其沿平行于所述同轴线的端面的单轴方向延伸且在所述内导体与所述外导体之间电连接。

本发明的第二方面提供了一种包括多个第一方面所述的探头的阵列探头，其中，所述多个探头排列在直线上、平面上或曲面上。

本发明的第三方面提供了一种探测器，包括：第一方面所述的探头、用于检测施加于所述探头的内导体和外导体之间的电压的电压传感器以及用于检测通过所述探头的连接导体感应到的电流的电流传感器。

所述发明内容条款不一定描述本发明实施例的全部必要特征，也不是本发明所需的所述发明内容条款中描述的全部特征。本发明也可以是上述特征的子组合。

附图说明

图1A示出了根据本实施例的探头配置的透视图；

图1B示出了根据本实施例的探头的尖端配置的正视图；

图1C示出了根据本实施例的探头的尖端的截面配置；

图1D示出了根据本实施例的探头的尖端配置的俯视图；

图2示出了根据本实施例的使用探头的探测器的电路配置；

图3A示出了探头检测到的电场(尖端表面上的电场)的分析结果；

图3B示出了探头检测到的电场(YZ截面上的电场)的分析结果；

图3C示出了探头检测到的电场(XZ截面上的电场)的分析结果；

图4A示出了探头检测到的磁场(尖端表面上的磁场)的分析结果；

图4B示出了探头检测到的磁场(YZ截面上的磁场)的分析结果；

图4C示出了探头检测到的磁场(XZ截面上的磁场)的分析结果；

图4D示出了探头的尖端电磁感应到的电流的分析结果；

图5示出了用于分析探头的互耦电平的分析模型；

图6示出了探头的互耦电平的分析结果；

图7A示出了探头的幅度属性的分析结果；

图7B示出了探头的相位属性的分析结果；

图8A示出了阵列探头的一个实例；

图8B示出了阵列探头的另一个实例；

图8C示出了阵列探头的又一个实例；

图8D示出了阵列探头的又一个实例；

图9示出了根据第一变形的探头的尖端的截面配置；以及

图10示出了根据第二变形的探头的尖端的截面配置。

具体实施方式

下面将描述本发明的(一些)实施例。所述实施例并不限制根据权利要求书所述的本发明。此外，相对于给定实施例描述的每个特征对本发明的各方面并不是必不可少的。

图1A至1D示出了根据本实施例的探头1的配置。其中，图1A示出了所述探头1的配置的透视图，图1B示出了所述探头1的尖端配置的正视图，图1C示出了所述探头1的尖端的截面配置的侧视图，图1D示出了所述探头1的尖端配置的俯视图。在这些图中，与所述探头1的中心轴L平行的方向定义为Z轴方向，在垂直于所述中心轴L的平面中相互正交的方向定义为X轴方向和Y轴方向。所述探头1为用于检测符合5G等下一代移动通信标准的频段中的高频信号的检测探头，包括同轴线2和连接导体3。虽然本实施例提供了适用于检测28GHz频段中的高频信号的探头1的配置，但是用于检测其他频段中的高频信号的探头也可以以相同的方式进行配置，除了合适的尺寸可能不同之外。

所述同轴线2用于：响应于检测到高频信号，将电磁场感应到的电压和电流传输到探测器，所述同轴线2包括内导体2a、绝缘体2b和外导体2c。所述内导体2a为导电金属线，可以利用铜形成直径为0.92mm且横截面为圆形的线性形状。所述绝缘体2b覆盖所述内导体2a的外围以进行绝缘，并利用TEFLON(RTM)等氟碳树脂形成空心圆柱形，例如，其外径为2.98mm。所述外导体2c为覆盖在所述绝缘体2b的外围的导电金属管，并利用铜或铝等制成外径为3.58mm的圆管形状。

通过所述绝缘体2b使所述外导体2c同轴地包围所述内导体2a，以配置所述同轴线2。例如，所述同轴线2的长度为32.1mm，端面交叉，且优选地，与所述中心轴L正交。所述同轴线2包括特征阻抗为50或75Ω的同轴管，这种配置也称为半刚性电缆。

所述连接导体3为用于将所述同轴线2的所述内导体2a和所述外导体2c电连接的构件，其沿平行于所述同轴线2的端面的单轴方向(本例中为所述Y轴方向)延伸，以在所述内导体2a与所述外导体2c之间电连接。所述连接导体3可以使用铜、铝或其它具有相似磁导率级别的导电金属等形成板状形状。其中，假设所述连接导体3的阻抗足够小于所述同轴线2的特征阻抗。所述连接导体3包括主体部3a和弯折部3b。利用焊料4将所述主体部3a焊接在所述同轴线2的所述端面上，将从所述主体部3a弯折出的所述弯折部3b焊接在所述同轴线2的侧面上，从而可以将所述连接导体3固定到所述同轴线2上。特别地，所述主体部3a能够稳定地固定在所述同轴线2的所述端面上。

所述主体部3a的长度(即，所述Y轴方向上的长度)取决于所述同轴线2的厚度，即，所述内导体2a与所述外导体2c之间的距离。在本实施例的一个实例中，所述同轴线2的厚度为2.15mm。最佳地，所述主体部3a的宽度(即，所述X轴方向上的宽度)使得所述X轴方向上的电流不会由于电磁感应而被所述主体部3a感应到，或者即使被感应到了也可以忽略不计。在本实施例的一个实例中，所述宽度等于所述内导体2a的直径。最佳地，所述主体部3a的厚度使得所述Z轴方向上的电流不会由于电磁感应而被所述主体部3a感应到，或者即使被感应到了也可以忽略不计。在本实施例中，所述厚度是均匀的0.1mm。因此，尽管厚度很小，仍可获得足够的连接强度。

所述主体部3a可以是关于中心轴L3对称的任意形状，例如，矩形、等腰梯形等，只要满足上述尺寸条件即可。因此，如下文所述，可以抵消所述端面上的所述X轴方向上的电场，并且可以获得电场检测中相对于所述Y轴方向的方向性。

可以适当确定所述弯折部3b的尺寸和形状，以将所述连接导体3固定在所述同轴线2上。

在具有上述配置的所述探头1中，设置有所述连接导体3的所述主体部3a的所述同轴线2的所述端面用作为所述探头1的检测部。因此，所述同轴线2的所述端面也称为所述探头1的尖端或尖端面。

图2示出了根据本实施例的使用探头1的探测器10的电路配置。所述探测器10包括所述探头1、负载11、电压传感器12和电流传感器13。在所述探头1的基底端(未示出)侧，所述负载11连接在内导体2a和外导体2c之间。所述电压传感器12与所述负载11并联，以检测施加于所述负载11，即，所述探头1的所述内导体2a和所述外导体2c之间的电压。所述电流传感器13插入所述探头1和所述负载11之间，以检测通过所述探头1的所述连接导体3(主体部3a)感应到的电流。通过使用所述电压传感器12检测施加于所述探头1上的电压，以及使用所述电流传感器13检测所述探头1中感应到的电流，可以检测所述探头1的尖端上的电磁场。特别地，可以同时检测电场和磁场。

通过仿真手段分析所述探头1可以检测到的高频信号的电磁场。这里，分析了所述探头1顶端上的电场和磁场分布，其中，通过在所述探头1的所述基底端(未示出)侧的端面上施加径向电场，在所述同轴线2中激发出同轴模式时感应到这两个场。所述探头1可以检测到具有这些分布的高频信号。

图3A至3C示出了所述探头1的尖端感应到的电场的分析结果。其中，图3A示出了所述探头1的尖端表面上的电场，图3B示出了所述探头1的YZ截面上的电场，图3C示出了所述探头1的XZ截面上的电场。电场的强度和方向用电场矢量表示。所述电场在平行于XY平面的平面上径向传播，在所述Z轴方向上穿过所述探头1传输，在所述Z轴方向上以10mm的波长为单位振荡强度。其中，在所述探头1的所述尖端表面上，所述电场朝向所述连接导体3(所述主体部3a)的+X侧的+X方向，朝向–X侧的–X方向，且两侧的强度相等。因此，所述电场的X轴分量在所述探头1的所述尖端表面上偏移。进一步地，所述电场朝向所述连接导体3(所述主体部3a)的–Y侧上的–Y方向，并增加其强度。因此，使用所述探头1检测所述探头1的所述尖端表面上的所述电场的Y轴分量。因此，所述探头1在电场检测中具有方向性，并且可以通过使用所述探头1检测施加于所述内导体2a和所述外导体2c之间的电压，在与所述连接导体3(所述主体部3a)的延伸方向(即，所述Y轴方向)平行的方向上检测电场分量。

上述电场检测中的方向性使得所述探头1能够通过为高频信号的两个极化波中的每一个将所述连接导体3偏移一定角度(例如，分别为±45度)检测所述两个极化波(Y轴分量)。

图4A至4C以及图4D分别示出了所述探头1的尖端感应到的磁场的分析结果以及所述探头1的尖端电气感应到的电流。其中，图4A示出了所述探头1的尖端表面上的磁场，图4B示出了所述探头1的YZ截面上的磁场，图4C示出了所述探头1的XZ截面上的磁场，图4D示出了所述探头1的所述连接导体3的所述端面以及所述外导体2c上的电流。所述磁场在平行于XY平面的平面上呈同心圆式分布，并且以几乎恒定的强度在所述Z轴方向上的所述探头1中传输。其中，在所述探头1的所述尖端表面上，所述磁场绕着朝向+Z侧的+X方向以及所述连接导体3(所述主体部3a)的–Z侧的–X方向的所述连接导体3，从而感应到在所述外导体2c的端面上的+Y方向上的电流以及在所述连接导体3(所述主体部3a)中的–Y方向上的电流。因此，通过使用所述探头1检测流经所述连接导体3(所述主体部3a)的电流，可以检测与所述连接导体3(所述主体部3a)的延伸方向相交的方向(即，所述X轴方向)上的磁场分量。

通过仿真手段分析了所述探头1的互耦电平。图5示意性地示出了本示例中使用的分析模型，即，模拟有源相控阵的3×3阵列天线模型。所述阵列天线包括在水平方向上以10mm为间隔并列的三个子阵列1至3。所述子阵列1至3中每个子阵列具有三个在垂直方向上以10mm为间隔排列的天线端口(简称端口)，其中，所述子阵列1具有位于中心的端口1以及分别位于所述端口1上侧和下侧的端口2和端口3，所述子阵列2具有位于所述子阵列1的所述端口1的右侧的端口5以及分别位于所述端口5上侧和下侧的端口4和端口6，所述子阵列3具有位于所述子阵列1的所述端口1的左侧的端口8以及分别位于所述端口8的上侧和下侧的端口7和端口9。在该模型中，当28GHz频段(频率范围约为26GHz至30GHz)中的高频信号被提供给所述子阵列1的所述端口1至3，且没有为其他端口4至9提供信号时，根据本实施例的所述探头1(端口0)在+Z侧上与所述端口1相距1mm的位置上检测到从所述端口1传输的高频信号，其中，所述子阵列1的所述端口1待检测。

图6示出了上述针对所述探头1的互耦电平，即，关于所述高频信号的频率的耦合电平的模拟的分析结果，其中，s1至s9分别表示所述探头1与所述端口1至所述端口9的耦合电平。所述耦合电平s1在28GHz频带中呈现非谐振行为，即，几乎恒定为负数dB。所述耦合电平s2至s4和s9小于或等于–30dB，所述耦合电平s5至s8小于–40dB且比所述耦合电平s1小20dB(100倍)或更多。这可能比传统的探头好约15dB。因此，尽管在1mm的测量距离下进行了近场测量，但与除所述待检测端口1之外的所述端口2至9的耦合电平都非常小，因而获得了优异的隔离性能。所述探头1适用于高频和宽带的近场测量，也适用于检测包括大量端口的阵列天线的天线属性。

图7A和7B分别示出了所述探头1的幅度属性和相位属性的分析结果。在本分析中，所述阵列天线模型应该包括仅具有端口1的子阵列(即，1×1阵列天线模型)。在该模型中，响应于为幅度为0至30dBV、相位为–180度至180度的所述端口1提供28GHz频段中的高频信号，根据本实施例的所述探头1在+Z侧上与端口1相距1mm的位置上检测到从所述端口1传输的高频信号。作为一个比较示例，对传统短偶极型探头也进行了类似的分析。

在图7A中，相对于从所述子阵列1(端口1)发射的信号的幅度，所述探头1的检测信号的幅度(实线)以较大的强度线性增加。在使用传统短偶极子型探头的情况下，幅度(单点链线)相对于所述端口1的幅度线性增加，但其强度与所述探头1相比非常小。所述探头1的所述检测信号的相位(虚线)相对于所述子阵列1(端口1)的幅度几乎是恒定的。在使用所述传统短偶极子型探头的情况下，相位(双点链线)的变化很大程度上取决于所述端口1的幅度。因此，所述探头1示出了幅度线性度和相位不敏感度与所述端口1的传输信号的幅度变化的对比。因此，这便于对所述探头1的幅度检测进行校准。

在图7B中，所述探头1的检测信号的相位(实线)与从所述子阵列1(端口1)发射的信号的相位相比几乎是恒定的。需要说明的是，在使用传统短偶极子型探头的情况下，幅度(单点链线)相对于所述端口1的相位振荡。所述探头1的所述检测信号的相位(虚线)相对于所述子阵列1(端口1)的相位线性变化。需要说明的是，在使用所述传统短偶极子型探头的情况下，相位(双点链线)相对于所述端口1的相位线性地变化。因此，所述探头1示出了幅度不敏感度和相位线性度与所述端口1的传输信号的相位变化的对比。因此，这便于对所述探头1的相位检测进行校准。

需要说明的是，可以通过将本实施例提供的所述探头1排列在多个阵列中来配置所述阵列探头。

图8A示出了三个探头1按照高频信号的半个波长的间距对齐的阵列探头21。需要说明的是，所述阵列探头21可以包括任何数目的探头1，不限于三个。可以利用所述阵列探头21同时检测水平方向上多个点上检测到的高频信号，并且进一步通过纵向扫描所述阵列探头21来二维地检测高频信号。如图8B所示，所述探头1可以以间距为半个波长的交错图案排列，以形成阵列探头22。

图8C示出了一个阵列探头23，其中的9个探头1二维布置在一个平面上，所述探头1的阵列间距应该等于待测阵列天线中包括的多个端口的阵列间距。所述阵列探头23不限于9个，可以包括与待测阵列天线包括的端口数量相同的探头1或任意数量的探头1。可以使用所述阵列探头23同时检测多个端口的天线属性。

图8D示出了一个阵列探头31，其中的17个探头1排列在曲面上，在一个实例中，所述曲面是半球的内表面。其中所述17个探头1中的9个探头1在侧面方向上以22.5度的间隔朝内排列，其余8个探头，包括所述9个探头1中位于中心的中心探头1，在纵向上以22.5度的间隔向内排列。需要说明的是，在图中，设置在远方的四个探头没有示出。利用所述阵列探头31可以三维地检测从设置在中心的(待测)端口三维地辐射出的高频信号的电场和磁场。需要说明的是，所述探头1的数量、间距(间距)以及排列面的形状可以根据待检测的电场和磁场的分布来选择。此外，所述探头1的分布不限于这种交叉分布，还可以采用其它分布方式。

如上所述，根据本实施例的探头1包括：同轴线2，其中的内导体2a通过绝缘体2b被外导体2c同轴地包围；以及连接导体3，其沿平行于所述同轴线2的端面的单轴方向延伸且在所述内导体2a与所述外导体2c之间电连接。根据该探头1，提供了一种用于近场测量的非接触、非谐振式定向探头，其可以测量宽带中的高频的天线属性。特别地，通过沿平行于所述同轴线2的端面延伸并在所述内导体2a与所述外导体2c之间电连接的所述连接导体3，对与单轴方向关于所述连接导体3相交的方向上的电场进行时间偏移，使得通过检测施加于所述内导体2a与所述外导体2c之间的电压，能够检测出所述单轴方向上的电场分量，通过检测通过所述连接导体3感应到的电流，能够检测出与所述单轴方向相交的方向上的磁场分量。

进一步地，根据本实施例的探测器10包括探头1、用于检测施加于所述探头1的内导体2a和外导体2c之间的电压的电压传感器12以及用于检测通过所述探头1的连接导体3感应到的电流的电流传感器13。使用所述探测器10，通过使用所述电压传感器12检测施加于所述探头1的所述内导体2a和所述外导体2c之间的电压，以及通过使用所述电流传感器13检测通过所述探头1的所述连接导体3感应到的电流，可以同时检测所述同轴线2的端面上的单轴方向上的电场分量和与所述单轴方向相交的方向上的磁场分量。

根据图9所示的变化，可以在探头1a的尖端提供覆盖包括所述连接导体3(主体部3a)的所述同轴线2的端面的保护膜5。所述保护膜5可以由与所述绝缘体2b相同的材料或绝缘树脂等形成。因此，可以保护所述探头1a的检测部。

根据图10所示的变化，可以在所述同轴线2的端面上设置凹部，所述连接导体3的所述主体部3a可以贴合到所述凹部上，所述连接导体3的所述主体部3a可以与所述同轴线2的端面形成在同一平面上。从而，可以将所述连接导体3稳定地固定在所述同轴线2的顶端。

虽然已经描述了本发明的实施例，但是本发明的技术范围不限于上述实施例。本领域技术人员将显而易见的是，可以在上述实施例中添加各种更改和改进。从权利要求书的范围中还可以明显地看出，添加了此类更改或改进的实施例可以包含在本发明的技术范围内。

由权利要求、实施例或图中所示的装置、系统、程序或方法执行的每个过程的操作、过程、步骤和阶段可以以任何顺序执行，只要该顺序没有用“先于”、“在……前”等指出，只要前一个过程的输出未在后一个过程中使用。即使在权利要求、实施例或图中，使用“第一”或“下一步”等短语来描述所述过程，也不一定意味着必须按此顺序执行所述过程。

Claims (7)

1.一种用于检测高频信号的探头，其特征在于，包括：

同轴线，其中的内导体通过绝缘体被外导体同轴地包围；以及

连接导体，其沿平行于所述同轴线的端面的单轴方向延伸且在所述内导体与所述外导体之间电连接；

所述连接导体位于所述同轴线的端面上，所述连接导体包括：

设置在所述连接导体所在的所述端面上的主体部；以及

从所述主体部弯折出且设置在所述同轴线的侧面上的弯折部，所述主体部的宽度等于所述内导体的直径。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述连接导体的形状为关于平行于所述单轴方向的中心轴对称。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的探头，其特征在于，所述连接导体的表面与所述同轴线的端面在同一平面上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的探头，其特征在于，还包括覆盖所述同轴线的端面的保护膜，其中，所述端面包括所述连接导体。

5.一种包括多个根据权利要求1至4中任一项所述的探头的阵列探头，其特征在于，多个所述 探头排列在直线上、平面上或曲面上。

6.一种探测器，其特征在于，包括：

根据权利要求1至5中任一项所述的探头；

电压传感器，用于检测施加于所述探头的内导体和外导体之间的电压；以及

电流传感器，用于检测通过所述探头的连接导体感应到的电流。

7.一种用于检测高频信号的方法，其特征在于，包括：

将根据权利要求1至4中任一项所述的探头的端面设置在待检测设备的附近；

使用电压传感器检测施加于所述探头的内导体和外导体之间的电压；以及

使用电流传感器检测通过所述探头的连接导体感应到的电流。

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