CN113960378A - 准远场量测系统、准远场量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准远场量测系统，其用以量测大型天线数组的辐射场型，包括馈源天线及增益运算单元。大型天线数组包括编号1～N的N个天线振子。增益运算单元电连接馈源天线及大型天线数组。首先，增益运算单元以直接远场法去量测大型天线数组，并得到直接远场增益，然后，增益运算单元再利用直接远场增益、相关于馈源天线辐射场型的补偿增益、相关于这些天线振子与馈源天线距离的路径差异补偿增益、大型天线数组的近场数组因子及远场数组因子共同计算得到大型天线数组的准远场辐射增益。因此，本发明虽在近场区域量测大型天线数组，但能通过计算得到如同在远场区域量测的准确结果。

Description

准远场量测系统、准远场量测方法

技术领域

本发明涉及一种天线量测系统及其方法，特别是用以量测大型天线数组的准远场量测系统及其方法。

后台技术

参阅图1，传统的天线远场量测暗室系统包括暗室11、馈源天线12及转台13。转台13用以设置待测天线14，且待测天线14与馈源天线12之间的距离S必须符合S>2×D²/λ，如此馈源天线12所辐射出的非均匀平面电磁波到达待测天线14才会趋近于均匀平面波，其中参数D如图2所示是待测天线14的最大几何尺寸，例如矩形平板数组的对角线距离，λ是测试电磁波的波长，因此这种传统的远场量测技术的缺点在于：当待测天线14的几何尺寸参数D越大时，2×D²/λ就呈2的平方倍增加，且也随着频率倍增。

随着近年从4G转入5G通讯，通讯频率大幅地提高，5G FR1的频率高达6GHz，5G FR2的频率更是高达52.6GHz，频率越高的电磁波在受遮蔽和一般地表传播时衰减会越严重，因此5G高频通讯的天线设计趋势将会从单一天线组件转向成多个天线组件的数组以提高指向性克服讯号衰减的问题，然而数组中的单个天线组件数目越多代价就是天线面积也同等增加，例如一个5G基地台用了16个单一天线组件组成数组，则参数D大约就增加为16倍，过去4G通讯频率大约为2GHz而现今FR1的频率上限为6GHz，所以2×D²/λ就倍增为768＝16²×(6/2)倍，也就是待测天线14与馈源天线12之间的距离S必须是原来的768倍，所以传统的远场量测技术是无法准确量测大型天线数组。

图3是电磁波传播的示意图，为要说明何谓均匀平面波。平面是指此波的波前(等相位面)是一个平面，也就是馈源天线12与待测天线14距离的够远(S>2D²/λ)，则馈源天线12所辐射出的电磁波到达待测天线14的平面上时几乎是等相位；所谓「均匀」是指其波前上的各点场强是相同的，也就是馈源天线12所辐射出的电磁波到达待测天线14的平面上时几乎是等振幅。

正因为传统直接远场量测的空间限制，因此又有节省空间的近场量测技术，其又细分为平面、柱面及球面量测法，近场量测的系统软件会根据近场-远场转换算法对数据进行变换进而得到远场(直接法)的数据，但近场量测技术的缺点主要有︰(1)、数值转换复杂而导致计算量庞大、计算时间过久；及(2)、如平面量测法有些角度无法量测计算出场型。

图4的缩距场量测技术是一种利用光学原理将一个馈源天线15放在凹面镜16的焦点上，则馈源天线15发射出的球面波被凹面镜16反射出成为均匀平面波对待测天线14进行场型量测，因此不需如近场量测更得执行近场-远场转换算法才能得到场型的量测结果，又能避免远场量测空间需求过大的问题，但是缩距场量测技术的一大限制在于︰因均匀平面波是来自于凹面镜16的反射，所以凹面镜16的尺寸必须显著大于待测天线14，而庞大又够光滑的凹面镜16既笨重又昂贵，因此缩距场量测技术也不适合用来量测大型天线数组。

为了解决5G通讯世代Massive MIMO大型天线数组的量测需求，势必需要一种在有限空间中就能量测大型天线数组辐射场型的新发明，且此新发明更必须兼顾远场量测快速及准确的优点，避免如近场量测计算复杂耗时的问题，也无须如缩距场量测技术得额外安装巨大、昂贵、高精密度的凹面反射镜16。

发明内容

为了解决前述的缺点，本发明提出了一种准远场量测系统用以量测大型天线数组的辐射场型，准远场量测系统包括馈源天线及增益运算单元。

馈源天线其最大增益方向对准大型天线数组的相位中心。大型天线数组包括N个天线振子，N>1，定义这些天线振子的编号分别依序为1至N。馈源天线的相位中心到大型天线数组的相位中心的直线路径为R₀，第i号的天线振子的相位中心到馈源天线的相位中心的直线路径为R_i。增益运算单元电连接馈源天线及大型天线数组，并以直接远场法量测大型天线数组得到直接远场增益G_m，并利用相关于馈源天线辐射场型的场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}、相关于这些直线路径R_i长度的路径差异补偿增益G_{path_loss}、大型天线数组的近场数组因子AF_near，及大型天线数组的远场数组因子AF_far，计算得到大型天线数组的准远场辐射增益G_quasi。

G_quasi＝G_m+G_{feeder_pattern_loss}+G_{path_loss}-AF_near+AF_far。

优选地，场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}的计算如下：

参数G_peak是馈源天线的峰值增益值，参数G_i是馈源天线沿着直线路径R_i的方向上的增益值。

优选地，路径差异补偿增益G_{path_loss}的计算如下：

参数λ是波长，参数R₀是馈源天线的相位中心到大型天线数组的相位中心的直线路径的长度，参数Ri是馈源天线的相位中心到编号i的天线阵子的相位中心的直线路径的长度。

优选地，近场数组因子AFnear的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i是馈源天线的相位中心到编号i的天线阵子的相位中心的直线路径的长度。

优选地，远场数组因子AF_far的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i’是参数R₀>2×D²/λ时，编号i的天线阵子的相位中心到馈源天线的相位中心的直线路径的长度。

优选地，本发明准远场量测系统更包括一转台，用以设置大型天线数组，且大型天线数组转动时其自身的相位中心恒保持在同一位置。

优选地，增益运算单元包括一讯号产生器、一讯号分析仪及一运算器，讯号产生器及讯号分析仪分别电连接大型天线数组及馈源天线，运算器电连接讯号分析仪并计算大型天线数组的准远场辐射增益G_quasi。

本发明准远场量测方法用以量测大型天线数组的辐射场型，准远场量测方法包括以下步骤(1)～(4)：

(1)、将馈源天线的最大增益方向对准大型天线数组的相位中心；

(2)、将大型天线数组的多数N个天线振子依序编号为1至N，并定义馈源天线的相位中心到大型天线数组的相位中心的直线路径为R₀，第i号的天线振子的相位中心到馈源天线的相位中心的直线路径为R_i；

(3)、以直接远场法量测该大型天线数组得到一直接远场增益G_m；及

(4)、利用馈源天线的场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}、相关于这些直线路径R_i长度的路径差异补偿增益G_{path_loss}、大型天线数组的近场数组因子AF_near，及大型天线数组的远场数组因子AF_far，计算得到大型天线数组的准远场辐射增益G_quasi，如下︰

G_quasi＝G_m+G_{feeder_pattern_loss}+G_{path_loss}-AF_near+AF_far。

场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}的计算如下：

参数G_peak是馈源天线的峰值增益值，参数G_i是馈源天线沿着直线路径R_i的方向上的增益值。

路径差异补偿增益G_{path_loss}的计算如下：

参数λ是波长，参数R₀是馈源天线的相位中心到大型天线数组的相位中心的直线路径的长度，参数R_i是馈源天线的相位中心到编号i的天线阵子的相位中心的直线路径的长度。

近场数组因子AFnear的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i是馈源天线的相位中心到编号i的天线阵子的相位中心的直线路径的长度。

远场数组因子AF_far的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i’是参数R₀>2×D²/λ时，编号i的天线阵子的相位中心到该馈源天线的相位中心的直线路径的长度。

优选地，本准远场量测方法其更包括以下步骤(5)～(8)：

(5)、将大型天线数组设置在转台上，且大型天线数组转动时自身的相位中心恒保持在同一位置；

(6)、记录大型天线数组的转动角度φ及对应此转动角度φ的准远场辐射增益G_quasi；

(7)、旋转大型天线数组，在多个不同的转动角度φ对应记录准远场辐射增益G_quasi；及

(8)、根据大型天线数组的这些转动角度φ＝0～360度及这些准远场辐射增益G_quasi，对应画出大型天线数组的辐射场型的极坐标图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是︰先利用直接远场﹙DFF)量测方法快速得到直接远场增益，并根据大型天线数组的这些振子与馈源天线之间的相对位置关系计算出场型补偿增益、路径差异补偿增益、近场数组因子及远场数组因子去修正直接远场增益后得到准远场辐射增益，因此，本发明虽在近场区域量测该大型天线数组，但能通过计算得到如同在远场区域量测的准确结果，并更能避免先前技术的各个缺点。

附图说明

图1是传统天线远场量测暗室系统的示意图。

图2是待测天线的最大几何尺寸示意图。

图3是电磁波传播的示意图。

图4是传统缩距场量测技术的示意图。

图5是本发明较佳实施例的示意图。

图6是馈源天线及其辐射场型的示意图。

图7是本发明较佳实施例的局部示意图，说明远场数组因子的计算方法。

图8是待测的大型天线数组的最大几何尺寸示意图。

图9是本发明较佳实施例执行量测方法的步骤示意图。

具体实施方式

参阅图5，本发明准远场量测系统用以量测大型天线数组2的辐射场型，准远场量测系统包括馈源天线3、增益运算单元4及转台5。

馈源天线3其最大增益方向对准大型天线数组2的相位中心20。大型天线数组2包括N个天线振子21～2i，N>1，定义这些天线振子21～2i的编号分别依序为1至N。馈源天线3的相位中心30到大型天线数组2的相位中心20的直线路径为R₀，第i号的天线振子2i的相位中心到馈源天线3的相位中心30的直线路径为R_i。图5是以N＝8来示意，但不以此为限。

增益运算单元4包括讯号产生器41、讯号分析仪42及运算器43。讯号产生器41及讯号分析仪42分别电连接大型天线数组2及馈源天线3，运算器43电连接讯号分析仪42。增益运算单元4以直接远场法量测大型天线数组2得到直接远场增益Gm，并利用相关于馈源天线3辐射场型31的场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}、相关于这些直线路径R_i长度的路径差异补偿增益G_{path_loss}、大型天线数组2的近场数组因子AF_near，及该大型天线数组2的一远场数组因子AF_far，计算得到大型天线数组2的准远场辐射增益G_quasi，如下式︰

G_quasi＝G_m+G_{feeder_pattern_loss}+G_{path_loss}-AF_near+AF_far。

所谓的直接远场﹙Direct Far Field,DFF)法是本发明所属技术领域通常知识者都能无歧异得知的一种天线量测方法，故此不再赘述。

场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}的计算如下：

参数G_peak是馈源天线3的峰值增益值，参数Gi是馈源天线3沿着直线路径R_i的方向上的增益值。场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}修正的是如图6所示馈源天线3的辐射场型31非各向同性﹙isotropic)的正圆球形所引入的差异。

路径差异补偿增益G_{path_loss}的计算如下：

参数λ是波长，参数R₀是馈源天线3的相位中心到大型天线数组2的相位中心的直线路径的长度，参数R_i是馈源天线3的相位中心到编号i的天线阵子2i的相位中心的直线路径的长度。

近场线阵因子AF_near的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i是馈源天线3的相位中心到编号i的天线阵子的相位中心的直线路径的长度。

同时参阅图5及图7，远场线阵因子AF_far的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i’是参数R₀>2×D²/λ时，编号i的天线阵子2i的相位中心到馈源天线3的相位中心30的直线路径的长度，参数D是大型天线数组2的最大几何直径，如图8所示。举例说明，如果大型天线数组2是应用于5G Massive MIMO，工作频率是5G FR1系统的上限6GHz，则对应的波长就是0.05m，大型天线数组2的最大几何直径为2m的条件时，馈源天线3的相位中心30到天线阵子2的相位中心20的直线路径的长度R0就必须至少大于160m，而一般的大型天线量测暗室长度大约也只有10m，这也就是传统直接远场﹙DFF)法根本没有办法满足5G Massive MIMO大型天线数组2的量测需求的原因。当我们已由数学计算知道远场条件下R₀的最小数值等于160m后，就可以选取一个大于160m的数值指定给R₀，例如R0＝200m(>160m)，以及天线振子2i之间的距离Si，例如Si＝1＝0.9m，计算出R1＝160.0025m，并依循同样步骤重复算出R2～R8，带入公式

就能算出远场线阵因子AF_far。且根据实际运算验证，只要参数R₀>2×D²/λ时无论R₀取多少数值对最终远场线阵因子AF_far的计算结果影响都不大。

转台5用以设置大型天线数组2，当大型天线数组2被转台5连动时，大型天线数组2的相位中心20恒保持在同一位置，也就是自转的圆心点。

参阅图5及图9，本发明准远场量测方法用以量测大型天线数组2的辐射场型，该准远场量测方法包括以下步骤(1)～(8)：

(1)、将馈源天线3的最大增益方向对准大型天线数组2的一相位中心20。

(2)、将大型天线数组2的多数N个天线振子21～2i依序编号为1至N，并定义馈源天线3的相位中心30到大型天线数组2的相位中心20的直线路径为R₀，第i号的天线振子2i的相位中心到馈源天线3的相位中心30的直线路径为R_i。

(3)、以直接远场法量测大型天线数组2得到直接远场增益G_m。

(4)、利用馈源天线3的场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}、相关于N个直线路径R_i长度的路径差异补偿增益G_{path_loss}、大型天线数组2的近场数组因子AF_near，及大型天线数组2的远场数组因子AF_far，计算得到大型天线数组2的准远场辐射增益G_quasi，如下︰

G_quasi＝G_m+G_{feeder_pattern_loss}+G_{path_loss}-AF_near+AF_far。

场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}的计算如下：

参数G_peak是馈源天线3的峰值增益值，参数G_i是馈源天线3沿着直线路径R_i的方向上的增益值。

路径差异补偿增益G_{path_loss}的计算如下：

参数λ是波长，参数R₀是馈源天线3的相位中心到大型天线数组2的相位中心20的直线路径的长度，参数R_i是馈源天线3的相位中心30到编号i的天线阵子2i的相位中心的直线路径的长度。

近场线阵因子AF_near的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i是馈源天线3的相位中心30到编号i的天线阵子2i的相位中心的直线路径的长度。

远场线阵因子AF_far的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i’是参数R₀>2×D²/λ时，编号i的天线阵子2i的相位中心到馈源天线3的相位中心30的直线路径的长度。

(5)、将大型天线数组2设置在转台5上，且大型天线数组2转动时自身的相位中心20恒保持在同一位置；

(6)、记录大型天线数组2的转动角度φ及对应转动角度φ的准远场辐射增益G_quasi；

(7)、旋转大型天线数组2，在多个不同的转动角度φ对应记录准远场辐射增益G_quasi。

(8)、根据大型天线数组2的转动角度φ＝0～360度及多个准远场辐射增益G_quasi，对应画出大型天线数组2的2D极坐标辐射场型图。

与现有技术相比，本发明有益的效果是：先利用直接远场﹙DFF)量测方法快速得到直接远场增益，并根据大型天线数组2的这N个振子21～2i与馈源天线3之间的相对位置关系计算出场型补偿增益、路径差异补偿增益、近场数组因子及远场数组因子去修正直接远场增益后得到准远场辐射增益，因此，本发明虽在近场区域量测大型天线数组2，但能通过计算得到如同在远场区域量测的准确结果，并更能避免传统技术的缺点。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

附图标记

11 暗室

12 馈源天线

13 转台

14 待测天线

15 馈源天线

16 凹面镜

2 大型天线数组

20 相位中心

21～28 天线振子

3 馈源天线

30 相位中心

31 辐射场型

4 增益运算单元

41 讯号产生器

42 讯号分析仪

43 运算器

5 转台

R₀、R₁～R₈ 直线路径

Claims (10)

1.一种准远场量测系统，用以量测一大型天线数组的辐射场型，其特征在于，包括：

一馈源天线，其最大增益方向对准该大型天线数组的一相位中心；

该大型天线数组包括N个天线振子，N>1，定义该等天线振子的编号分别依序为1至N；

该馈源天线的相位中心到该大型天线数组的相位中心的直线路径为R₀，第i号的天线振子的相位中心到该馈源天线的相位中心的直线路径为R_i；及

一增益运算单元，电连接该馈源天线及该大型天线数组，并以直接远场法量测该大型天线数组得到一直接远场增益G_m，并利用相关于该馈源天线辐射场型的一场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}、相关于该等直线路径R_i长度的一路径差异补偿增益G_{path_loss}、该大型天线数组的一近场数组因子AF_near，及该大型天线数组的一远场数组因子AF_far，计算得到该大型天线数组的准远场辐射增益G_quasi，如下︰

G_quasi＝G_m+G_{feeder_pattern_loss}+G_{path_loss}-AF_near+AF_far。

2.如权利要求1所述的准远场量测系统，其特征在于，该场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}的计算如下：

参数G_peak是该馈源天线的峰值增益值，参数G_i是该馈源天线沿着直线路径R_i的方向上的增益值。

3.如权利要求1所述的准远场量测系统，其特征在于，该路径差异补偿增益G_{path_loss}的计算如下：

参数λ是波长，参数R₀是该馈源天线的相位中心到该大型天线数组的相位中心的直线路径的长度，参数R_i是该馈源天线的相位中心到编号i的该天线阵子的相位中心的直线路径的长度。

4.如权利要求1所述的准远场量测系统，其特征在于，该近场数组因子AF_near的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i是该馈源天线的相位中心到编号i的该天线阵子的相位中心的直线路径的长度。

5.如权利要求1所述的准远场量测系统，其特征在于，该远场数组因子AF_far的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i’是该参数R₀>2×D²/λ时，编号i的该天线阵子的相位中心到该馈源天线的相位中心的直线路径的长度，参数D是该大型天线数组的最大几何直径。

6.如权利要求1所述的准远场量测系统，其特征在于，更包括：一转台，用以设置该大型天线数组，且该大型天线数组转动时自身的相位中心恒保持在同一位置。

7.如权利要求1所述的准远场量测系统，其特征在于，该增益运算单元包括一讯号产生器、一讯号分析仪及一运算器，该讯号产生器及该讯号分析仪分别电连接该大型天线数组及该馈源天线，该运算器电连接该讯号分析仪并计算该大型天线数组的准远场辐射增益G_quasi。

8.一种准远场量测方法，用以量测一大型天线数组的辐射场型，其特征在于，包括以下步骤：

将一馈源天线的最大增益方向对准该大型天线数组的一相位中心；

将该大型天线数组的复数N个天线振子依序编号为1至N；

定义该馈源天线的相位中心到该大型天线数组的相位中心的直线路径为R₀，第i号的天线振子的相位中心到该馈源天线的相位中心的直线路径为R_i；

以直接远场法量测该大型天线数组得到一直接远场增益G_m；及

利用该馈源天线的一场型补偿增益G_{feeder_pattern_loss}、相关于该等直线路径R_i长度的一路径差异补偿增益G_{path_loss}、该大型天线数组的一近场数组因子AFnear，及该大型天线数组的一远场数组因子AF_far，计算得到该大型天线数组的准远场辐射增益G_quasi，如下︰

G_quasi＝G_m+G_{feeder_pattern_loss}+G_{path_loss}-AF_near+AF_far。

9.如权利要求8所述的准远场量测方法，其特征在于，该场型补偿增益Gfeeder_pattern_loss的计算如下：

参数G_peak是该馈源天线的峰值增益值，参数G_i是该馈源天线沿着直线路径R_i的方向上的增益值；

该路径差异补偿增益G_{path_loss}的计算如下：

参数λ是波长，参数R₀是该馈源天线的相位中心到该大型天线数组的相位中心的直线路径的长度，参数R_i是该馈源天线的相位中心到编号i的该天线阵子的相位中心的直线路径的长度；

该近场数组因子AF_near的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i是该馈源天线的相位中心到编号i的该天线阵子的相位中心的直线路径的长度；及

该远场数组因子AF_far的计算如下：

参数β＝2π/λ，参数λ是波长，参数R_i’是该参数R₀>2×D²/λ时，编号i的该天线阵子的相位中心到该馈源天线的相位中心的直线路径的长度，参数D是该大型天线数组的最大几何直径。

10.如权利要求9所述的准远场量测方法，其特征在于，更包括以下步骤：

将该大型天线数组设置在一转台上，且该大型天线数组转动时自身的相位中心恒保持在同一位置；

记录该大型天线数组的一转动角度

及对应该转动角度

的该准远场辐射增益G_quasi；

旋转该大型天线数组，在多个不同的转动角度

对应记录该准远场辐射增益G_quasi；及

根据该大型天线数组的该等转动角度φ＝0～360度及该等准远场辐射增益G_quasi，对应画出该大型天线数组的一辐射场型的一极坐标图。

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