CN113671273A - 一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，包括以下步骤：步骤一、采用探针馈电，得到探针和片上天线AOC的共同增益测量结果；步骤二、测量片上天线的空间插损参数和探针的散射参数；步骤三、对探针进行耦合去嵌入操作，从共同结果中将探针影响去除；步骤四、得到片上天线的准确增益修正值和端口反射系数。本发明具有以下技术效果：1、通过探针去嵌入方法，从共同结果中将探针影响去除，可以大幅度降低馈电探针影响，有效修正片上天线增益测量结果；2、相对于传统方法具有准确度高、普适性高的优点；3、解决了探针对于导波/空间场的耦合去嵌问题，对于提升片上天线测量准确度具有至关重要的意义。

Description

一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法
技术领域
本发明涉及天线测量技术领域，尤其涉及一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法。
背景技术
片上天线AOC是将天线集成在介质基片上所构成的平面天线，具有重量轻、成本低、易集成且和载体共性等一系列的优点，其结构紧凑、剖面低，有较强的机械稳定性和耐腐蚀性。片上天线的设计和测量验证也是目前的研究热点。
片上天线的关键参数与传统分立天线比较接近，有增益、辐射方向图、端口驻波、效率等。但是由于片上天线的馈电形式从传统的同轴和波导形式演变成了探针馈电形式，探针尺寸相对与小型化的片上天线来说较大，对片上天线的增益测量结果会产生影响，相比传统天线相比更难测准。
片上天线测量系统通常位于微波暗室中，采用网络分析仪作为核心射频设备，发射天线为待测的片上天线，接收天线为标准增益喇叭天线。接收天线在一定的扫描架上行走，完成空间不同位置的数据采集。现有探针去嵌入方法，只是简单在测量的插损的基础上直接减去探针幅度，只考虑了幅度信息，并没有考虑相位和探针与片上天线连接处的反射影响，对于片上天线增益测量误差大。
发明内容
本发明目的是提供一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，用于解决片上天线测量中，探针馈电对天线增益测量结果的影响评估问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，包括以下步骤：
步骤一、采用探针馈电，得到探针和片上天线AOC的共同增益测量结果；
步骤二、测量片上天线的空间插损参数和探针的散射参数；
步骤三、对探针进行耦合去嵌入操作，从共同结果中将探针影响去除；
步骤四、得到片上天线的准确增益修正值和端口反射系数。
优选的，所述发射天线为片上天线，所述探针馈电一端接入电路的同轴或波导接口，另一端为共面波导形式，接收天线为同轴接口或波导接口。
优选的，所述接收天线增益计算公式为：
Figure BDA0003236714880000021
其中：G代表增益，下标R和T分别代表接收和发射，发射天线增益，|S21|为测量的插入损耗(去掉直通值)，λ为波长。
优选的，所述步骤三中，探针耦合去嵌入的步骤包括：
步骤A：测量得到探针的二端口网络P散射矩阵SP；
步骤B：将探针二端口网络P的散射矩阵SP变换为传输矩阵TP；
步骤C：将片上天线测量中通过测量得到的二端口网络M的散射矩阵SM，转化为传输参数矩阵TM；
步骤D：根据TM＝TP·TA，进行矩阵级联运算，计算得到片上天线AOC的二端口网络A的传输矩阵TA；
步骤E：将片上天线AOC的二端口网络A的传输矩阵TA转为散射矩阵SA，将SA的参数代入接收天线增益公式，得到片上天线增益。
优选的，所述步骤A中，
Figure BDA0003236714880000031
所述探针为无源器件，SP12和SP21相等。
优选的，所述步骤B中，
Figure BDA0003236714880000032
优选的，所述步骤C中，
Figure BDA0003236714880000033
转化为的传输参数矩阵为：
Figure BDA0003236714880000034
优选的，所述步骤D中，由TM＝TP·TA变换得到
Figure BDA0003236714880000035
得到：
TA11＝(TM11TP22-TM21TP12)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA12＝(TM12TP22-TM22TP12)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA21＝(TM21TP11-TM11TP21)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA22＝(TM22TP11-TM12TP21)/(TP11TP22-TP21TP12)。
优选的，所述步骤E中，
Figure BDA0003236714880000041
为仅包含片上天线与接收天线后的实际散射参数，SA11为天线的端口反射系数，SA21为代入接收天线增益公式的参数，其中：SA21＝1/TA11，具体为，SA21＝SP12SM21/(SM11SP22-SP11SP22+SP12SP21)
优选的，将SA21代入
Figure BDA0003236714880000042
即可得到探针耦合后的片上天线增益。
本发明具有以下技术效果：
1、通过探针去嵌入方法，从共同结果中将探针影响去除，可以大幅度降低馈电探针影响，有效修正片上天线增益测量结果；
2、相对于传统方法具有准确度高、普适性高的优点；
3、解决了探针对于导波/空间场的耦合去嵌问题，对于提升片上天线测量准确度具有至关重要的意义。
附图说明
图1为本发明探针馈电测量片上天线增益示意图；
图2为本发明矩阵级联示意图；
图3为本发明探针T50A传输系数测量结果示意图；
图4为本发明探针T50A反射系数测量结果示意图；
图5为本发明探针T50A去嵌入对增益测量结果的影响示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
本实施例提供了一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，包括以下步骤：
步骤一、采用探针馈电，测量得到探针和片上天线AOC的共同增益测量结果；
步骤二、测量片上天线的空间插损参数和探针的散射参数；
步骤三、对探针进行耦合去嵌入操作，从共同结果中将探针影响去除；
步骤四、得到片上天线的准确增益修正值和端口反射系数。
针对传统的天线测量，发射天线和接收天线的类型类似，都为同轴接口或者波导接口馈电，若已知发射天线增益，可以通过测量插入损耗得到接收天线的增益。
所述接收天线增益计算公式为：
Figure BDA0003236714880000051
其中：G代表增益，下标R和T分别代表接收和发射，发射天线增益，|S21|为测量的插入损耗(去掉直通值)，λ为波长。
针对片上天线测量，发射天线和接收天线的类型不同，发射天线为片上天线，不能直接连接同轴或波导接口馈电，需要采用探针馈电，探针馈电一端接入电路的同轴或者波导接口，另一端为给片上天线馈电的共面波导形式，接收天线仍为同轴接口或者波导接口。
采用式(1)进行计算，如图1所示，得到的增益测量结果是探针和待测的片上天线AOC的共同结果，为了得到待测的片上天线的增益，需要对探针进行耦合去嵌入操作，因此本发明公开的是一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，通过探针去嵌入操作，从共同结果中将探针影响去除，大幅度降低馈电探针影响，有效修正片上天线增益测量结果。
本实施例的进一步实施方式，所述步骤二中，针对探针的散射参数进行测量，原厂出厂报告只有幅度数据，没有相位信息，是无法进行耦合去嵌入的。
本实施例进一步的实施方式，所述步骤三中，探针耦合去嵌入的步骤包括：
步骤A：测量得到探针的二端口网络P散射矩阵SP；
步骤B：将探针二端口网络P的散射矩阵SP变换为传输矩阵TP；
步骤C：将片上天线测量中通过测量得到的二端口网络M的散射矩阵SM，转化为传输参数矩阵TM；
步骤D：根据TM＝TP·TA，进行矩阵级联运算，计算得到片上天线AOC的二端口网络A的传输矩阵TA；
步骤E：将片上天线AOC的二端口网络A的传输矩阵TA转为散射矩阵SA，将SA的参数代入接收天线增益公式，得到片上天线增益。
根据式(1)，S21可以通过网络分析仪测量得到，如图2所示，把虚框内测量得到的部分看成一个二端口网络，其具有四个散射参数：
Figure BDA0003236714880000061
探针部分也可以看做二端口网络，其散射参数表示为：
Figure BDA0003236714880000071
由于M＝P·A，采用矩阵级联的逆运算得到天线处二端口网络的散射参数
Figure BDA0003236714880000072
将SA12带入公式(1)计算AOC的增益，该矩阵中的SA11即为待测片上天线端口反射系数。
现有探针去嵌入方法，对于探针馈电的影响去除，基本都采用直接在测量的Sm21幅度的基础上去除探针SP21的幅度，即|SA21|＝|Sm21|-|SP21|(dB)，这种方式是本发明方法的一种简化形式和近似方法，成立的前提是探针SP22和片上天线SA11情况较好，并没有考虑相位，也没有考虑探针与片上天线连接处的反射影响。经过测量实际测量发现，往往探针SP22和片上天线SA11并不理想，简化公式对于片上天线增益测量误差大。
采用步骤二中探针耦合去嵌入的方法，对片上天线测量系统具有普适性的特点，并不需要待测片上天线特性满足一定条件，只需要测量的片上天线空间插损散射参数和测量的探针的散射参数，即可利用本发明方法进行探针去嵌入修正，得到片上天线的准确增益修正值和端口反射系数，相对于传统方法具有准确度高的特点。
本实施例进一步的实施方式，所述步骤A中，
Figure BDA0003236714880000073
所述探针为无源器件，SP12和SP21相等。
本实施例进一步的实施方式，所述步骤B中，
Figure BDA0003236714880000081
本实施例进一步的实施方式，所述步骤C中，
Figure BDA0003236714880000082
转化为的传输参数矩阵为：
Figure BDA0003236714880000083
本实施例进一步的实施方式，所述步骤D中，由TM＝TP·TA变换得到
Figure BDA0003236714880000084
Figure BDA0003236714880000085
得到：
TA11＝(TM11TP22-TM21TP12)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA12＝(TM12TP22-TM22TP12)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA21＝(TM21TP11-TM11TP21)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA22＝(TM22TP11-TM12TP21)/(TP11TP22-TP21TP12) (8)
本实施例进一步的实施方式，所述步骤E中，
Figure BDA0003236714880000086
为仅包含片上天线与接收天线后的实际散射参数，SA11为片上天线的端口反射系数，SA21为代入接收天线增益公式的参数，其中：
SA11＝TA21/TA11
SA12＝(TA11TA22-TA21TA12)/TA11
SA21＝1/TA11
SA22＝TA12/TA11 (9)
具体为，SA11＝(SM11-SP11)/(SM11SP22-SP11SP22+SP12SP21)
SA12＝(SM12SM21+SP11SM22-SM11SM22)/SM21SP12-SA11(SM22SP11SP22+SM12SM21SP22-SM22SP12SP21-SM11SM22SP22)/SM21SP12 (10)
SA21＝SP12SM21/(SM11SP22-SP11SP22+SP12SP21)
SA22＝(SM22SP11SP22-SM22SP12SP21-SM11SM22SP22+SM12SM21SP22)/(SM11SP22-SP11SP22+SP12SP21)
本实施例进一步的实施方式，将式(10)的SA21代入式(1)，即可得到探针耦合后的片上天线增益。
具体实施：
利用型号为T50A的馈电探针(简称探针T50A)对片上天线进行测量：
如图3和4所示，为探针T50A散射矩阵参数，|S21|＝0.41dB@32.2GHz，按照传统片上天线测量方法，仅仅考虑幅度进行修正，修正后的增益差值为0.41dB@32.2GHz。
如图5所示，为采用本发明方法对待测的片上天线的增益测量结果的影响，可以看出，探针T50A对于片上天线增益测量结果的最大修正值为0.74dB@32.2GHz；即在32.2GHz，本发明方法与简化方法之差0.74dB-0.41dB为0.33dB，针对片上天线0.5dB测量不确定度的要求来说，探针馈电去嵌入是一个重要影响量，对于提升片上天线测量准确度具有至关重要的意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用探针馈电，得到探针和片上天线AOC的共同增益测量结果；
步骤二、测量片上天线的空间插损参数和探针的散射参数；
步骤三、对探针进行耦合去嵌入操作，从共同结果中将探针影响去除；
步骤四、得到片上天线的准确增益修正值和端口反射系数。
2.根据权利要求1所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述发射天线为片上天线，所述探针馈电一端接入电路的同轴或波导接口，另一端为共面波导形式，接收天线为同轴接口或波导接口。
3.根据权利要求1所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述接收天线增益计算公式为：
Figure FDA0003236714870000011
其中：G代表增益，下标R和T分别代表接收和发射，发射天线增益，|S21|为测量的插入损耗(去掉直通值)，λ为波长。
4.根据权利要求1所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述步骤三中，探针耦合去嵌入的步骤包括：
步骤A：测量得到探针的二端口网络P散射矩阵SP；
步骤B：将探针二端口网络P的散射矩阵SP变换为传输矩阵TP；
步骤C：将片上天线测量中通过测量得到的二端口网络M的散射矩阵SM，转化为传输参数矩阵TM；
步骤D：根据TM＝TP·TA，进行矩阵级联运算，计算得到片上天线AOC的二端口网络A的传输矩阵TA；
步骤E：将片上天线AOC的二端口网络A的传输矩阵TA转为散射矩阵SA，将SA的参数代入接收天线增益公式，得到片上天线增益。
5.根据权利要求4所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述步骤A中，
Figure FDA0003236714870000021
所述探针为无源器件，SP12和SP21相等。
6.根据权利要求4所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述步骤B中，
Figure FDA0003236714870000022
7.根据权利要求4所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述步骤C中，
Figure FDA0003236714870000023
转化为的传输参数矩阵
Figure FDA0003236714870000024
8.根据权利要求1所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述步骤D中，由TM＝TP·TA变换得到TA＝TP -1·TM，
Figure FDA0003236714870000025
得到：
TA11＝(TM11TP22-TM21TP12)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA12＝(TM12TP22-TM22TP12)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA21＝(TM21TP11-TM11TP21)/(TP11TP22-TP21TP12)；
TA22＝(TM22TP11-TM12TP21)/(TP11TP22-TP21TP12)。
9.根据权利要求3、4、7或8所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，所述步骤E中，
Figure FDA0003236714870000031
为仅包含片上天线与接收天线后的实际散射参数，SA11为片上天线的端口反射系数，SA21为代入接收天线增益公式的参数，其中：SA21＝1/TA11，具体为，SA21＝SP12SM21/(SM11SP22-SP11SP22+SP12SP21)。
10.根据权利要求9所述的片上天线测量用探针馈电去嵌入方法，其特征在于，将SA21代入
Figure FDA0003236714870000032
即可得到探针耦合后的片上天线增益。
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