CN115524539A - 适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，包括探针、场型量测单元及运算单元。位置固定的探针依序碰触量测该些子天线的馈电点，场型量测单元量出第j取样点处第i＝1～N号子天线所依序对应产生的N(＞3)个量测电场振幅G_i＝1～N，及N个量测电场相位θ_i＝1～N。运算单元根据封装天线的位移计算出位移相位Δθ_i(xyz)去修正量测电场相位θ_i＝1～N，并根据输入的相移Δθ_i与振幅比例系数S_i去计算封装天线的评估阵列增益G_array。避免传统技术量测设备导入误差及相对较小的静区面积要求。

Description

适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统

技术领域

本发明涉及一种量测系统，具体地，涉及一种快速评估封装天线相控阵列辐射场型并适用于小静区的系统。

背景技术

近年5G在FR1已实现商业化的脚步，随之而来的是FR2更高频的mmWave波段应用，产业为解决高频讯号衰弱以及考量传播距离短的限制，在行动终端(如智慧型手机)采用的是封装天线AiP(Antenna in Package)对策，并且，随着5G毫米波AiP广泛地导入智慧型手机中，及智慧驾驶驱动车用毫米波雷达的高度需求，可预见地，在接下来的3至5年AiP的需求将出现爆发性的成长。

尽管AiP的上中下游市场商机在可预见的庞大，但其属高技术门槛的新兴商机，仍缺乏一套快速且准确的评估AiP采用相控阵列技术时其辐射场型随着不同振幅与相位变化的评估系统。

参阅图1，一个完整的封装天线AiP包括天线元件辐射层L1、传导线路层L2，及射频晶片RFIC。射频晶片RFIC通过传导线路层L2给予该些天线元件对应的振幅及相位权重，使天线元件辐射层L1的辐射场型对应该些振幅及相位权重而变化。

参阅图2，现有AiP开发阶段时是利用如的AiP相控阵列的测试系统，其包括功率放大器单元PA、多个相移器PS，及多条同轴传输线1。功率放大器单元PA决定每一天线贴片的输出讯号的振幅，该些相移器PS改变该些天线贴片的输出讯号的相位，这样的传统技术存在以下缺点︰

(1)、每一相移器PS与天线贴片13之间是以等长度的一条同轴传输线1连接，理论上相同型号且等长的同轴传输线1应具有相同的路径损号且无相位差，但实际上每条同轴传输线1都需要以网路分析仪量测，微调长度以缩小彼此间的相位差。

(2)、每一条同轴传输线1的电长度是对应频率变化的值，举例来说，即使在28GHz这些传输线经过调整其等相位差终于趋近相似，但在不同频率时同轴传输线的特性会随频率而变化，且相位差的变化趋势与频率之间对应关系不规律，因此某些在28GHz电长度较长应剪短的同轴传输线1很可能在39GHz却是电长度较短应增长的同轴传输线1，因测试需求所引入的该些同轴传输线1却引入量测误差。

(3)、此外，该些同轴传输线1的接头11与焊接点12也都会造成不同的振幅及相位影响，甚至该些相移器PS彼此间也存在差异。

(4)、需要的量测静区(Quiet Zone,QZ)较大，需涵盖整个封装天线AiP。

综上所述，以外接的实体的量测设备10去调控该些天线贴片13的振幅及相位进而直接量测波束成型后的辐射场型会因为量测设备10本身而引入误差，导致量测出来的结果与产品实际运作时的效能不同。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种结合量测与运算且适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统。

本发明适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，应用于封装天线，封装天线包括N个子天线，参数N是大于3的整数，N个子天线依序编号为第1～N号，评估系统包括探针、场型量测单元及运算单元。

场型量测单元用以电连接探针，当场型量测单元执行量测工作时是移动封装天线使位置固定的探针依序碰触量测该些子天线，并量出第j取样点处第1～N号子天线所依序对应产生的N个量测电场振幅G_i＝1～N，及N个量测电场相位θ_i＝1～N。

运算单元根据封装天线移动的三轴向位移(Δx,Δy,Δz)计算出相对应的位移相位Δθ_i(xyz)，如下:

球坐标参数(θ,φ)是第j取样点的球坐标角度，三轴向位移(Δx,Δy,Δz)是被量测的该个子天线的馈电点到封装天线的几何中心的三个轴向距离，且三轴向位移的XYZ三轴轴向定义与第j取样点的球坐标(θ,φ)转换成直角坐标后的XYZ三轴轴向定义一致。

运算单元更将每一个该量测电场相位θ_i扣除位移相位Δθ_i(xyz)，并与输入相移Δθ_i相加后得到更新相位θ′_i。

运算单元更将每一个量测电场振幅G_i与振幅比例系数S_i相乘后得到权重调整振幅G′_i。

运算单元更计算封装天线的评估阵列增益G_array，如下：

优选地，θ′_i＝θ_i-Δθ_i(xyz)+Δθ_i。

优选地，当第1～N号子天线输入的N个讯号大小比例依序为A₁～A_N时，则振幅比例系数S_i如下：

优选地，N＝4，A₁＝1、A₂＝2、A₃＝2、A₄＝1，4个振幅比例系数依序如下：

优选地，N＝4，A₁＝1、A₂＝1、A₃＝1、A₄＝1，4个振幅比例系数依序如下：

优选地，参数j＝1～K，K个取样点是彼此间隔并共同位于预设的同一个空间球面上。

优选地，运算单元更将第j取样点的座标位置与相对应的评估阵列增益G_array作图，得到波束成型辐射场型图。

优选地，场型量测单元是采用紧缩场(Compact Antenna Test Range,CATR)技术去量测封装天线。

优选地，场型量测单元是采用直接远场(Direct Far Field,DFF)技术去量测封装天线。

优选地，场型量测单元是采用近场转换到远场(Near Field to Far FieldTransformation,NFTF)技术去量测封装天线。

本发明的效果在于：

(1)、更小的静区(Quiet Zone,QZ)需求。静区的大小只需要能涵盖极小面积的子天线，而不需要能涵盖整个封装天线，如此能降低对缩距场(CATR)的整体规格要求，或者从另一个角度来看，由于采用移动封装天线，将每一个当下被量测的子天线置于静区中央，而同样的测试环境中越大面积的静区中当然会对应较大的振幅与相位变化，而大静区中的局部小区域的振幅与相位变化自然就会相对小。而移动封装天线导致在第j取样点额外产生的位移相位则可以由运算单元以数值方式扣除。

(2)、结合量测与运算，可以从每一个独立的子天线量测得到的量测电场振幅与量测电场相位，结合数值运算给定的任意比例的该些振幅比例系数与该些输入相移，以数值运算免除外加的量测设备及组件，例如传统的同轴传输线，因此能免除外加的量测设备及组件不一致所引入的量测误差。

(3)、缩短量测时间，省去外接实体的量测设备(见图2)所需要的时间。

(4)、节省成本，现有的OTA天线量测设备已具有量测该子天线的量测电场振幅与量测电场相位的功能，因此只要进一步结合运算单元，就能评估如何控制该些子天线的收发讯号振幅相位，以达到相控数组辐射场型评估的目的。

附图说明

图1是封装天线的示意图。

图2是封装天线相控数组测试系统的示意图。

图3是本发明的较佳实施例的示意图。

图4是封装天线及探针的示意图，说明封装天线及探针的量测坐标。

图5是封装天线及直角坐标的示意图，说明三轴向位移的定义。

图6是球坐标取样点分布的示意图。

图7是以位移相位去修正量测电场相位的示意图。

图8是同等输入相移时封装天线XZ及YZ平面的波束成型辐射场型图。

图9是不等输入相移时封装天线XZ及YZ平面的波束成型辐射场型图。

图10是本发明的较佳实施例采用直接远场或近场转换到远场技术的示意图。

具体实施方式

参阅图3及图4，本发明适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统的较佳实施例包括探针3、场型量测单元20及运算单元30。

较佳实施例应用于封装天线2，封装天线2包括N(N>3)个子天线21，N个子天线21依序编号为第1号子天线21到第N号子天线21，该较佳实施例可以综合量测及运算评估出该些子天线21被给定不同的振幅比例及输入相移后的评估数组增益G_array及辐射场型。

场型量测单元20用以电连接该针3，当场型量测单元20执行量测工作时是移动封装天线2使位置固定的探针3依序碰触量测该些子天线21，并量出第j取样点处第1～N号子天线21所依序对应产生的N个量测电场振幅G_i＝1～N，及N个量测电场相位θ_i＝1～N。场型量测单元20可以是采用如图3的紧缩场(Compact Antenna Test Range,CATR)技术去量测该封装天线2。

运算单元30运算单元根据该封装天线2移动的三轴向位移(Δx,Δy,Δz)计算出相对应的位移相位

其中，球坐标参数(θ,φ)是第j取样点01的球坐标角度，三轴向位移(Δx,Δy,Δz)是被量测的子天线21的馈电点210到封装天线2的几何中心02的三个轴向距离(Δx,Δy,Δz)，且三轴向位移的三轴轴向定义与第j取样点01的球坐标(θ,φ)转换成直角坐标后的XYZ三轴轴向定义一致。

以图4为例，D1＝-7.95mm(Δx＝0,Δy＝-7.95mm,Δz＝0)，D2＝-2.65mm(Δx＝0,Δy＝-2.65mm,Δz＝0)，D3＝2.65mm(Δx＝0,Δy＝2.65mm0,Δz＝0)，D4＝7.95mm(Δx＝0,Δy＝7.95mm,Δz＝0)。

以图5为例，N＝6，子天线211对应的Δx＝-|ΔX|,Δy＝-|ΔY|,Δz＝0；子天线212对应的Δx＝0,Δy＝-|ΔY|,Δz＝0；子天线213对应的Δx＝|ΔX|,Δy＝-|ΔY|,Δz＝0；子天线214对应的Δx＝-|ΔX|,Δy＝|ΔY|,Δz＝0；子天线215对应的Δx＝0,Δy＝|ΔY|,Δz＝0；子天线216对应的Δx＝|ΔX|,Δy＝|ΔY|,Δz＝0。

运算单元30更将每一个该量测电场相位θ_i扣除该位移相位Δθ_i(xyz)，并与一输入相移Δθ_i相加后得到一更新相位θ′_i，运算单元30更将每一个该量测电场振幅G_i与一振幅比例系数S_i相乘后得到权重调整振幅G′_i，该运算单元30更计算该封装天线20的一评估数组增益G_array，如下：

G′_i＝S_i×G_i，θ′_i＝θi-Δθi(xyz)+Δθ_i，

当第1～N号子天线21输入的N个讯号大小比例依序为A₁～A_N时，则该振幅比例系数S_i如下：

举例说明，该些子天线21的数目为4，且功率分配是1:2:2:1，则A1＝1、A2＝2、A3＝2、A4＝1，4个振幅比例系数依序如下：

若该些子天线21是等功率分配1:1:1:1，则A₁＝1、A₂＝1、A₃＝1、A₄＝1，4个振幅比例系数依序如下：

参阅图6，第j取样点01的参数j＝1～K，该K个取样点是彼此间隔并共同位于预设的空间球面上，运算单元30更将第j取样点01的坐标位置与相对应的评估数组增益G_array作图，得到波束成型辐射场型图。

举例说明:第j＝1取样点θ＝90°,φ＝0°；第j＝2取样点θ＝80°,φ＝0°；第j＝3取样点θ＝70°,φ＝0°；依此规则延续，第j＝10取样点θ＝0°,φ＝0°；第j＝11取样点θ＝-10°,φ＝0°；第j＝12取样点θ＝-20°,φ＝0°；依此规则延续，第j＝19取样点θ＝-90°,φ＝0°；第j＝20取样点θ＝90°,φ＝10°；第j＝21取样点θ＝80°,φ＝10°；第j＝22取样点θ＝70°,φ＝10°；依此规则延续，第j＝29取样点θ＝0°,φ＝10°；第j＝30取样点θ＝-10°,φ＝10°；第j＝31取样点θ＝-20°,φ＝10°；依此延续完成所有取样点01的量测与计算。

参阅图7，是第j取样点01在YZ切面(球坐标的半径r＝固定值，θ＝-180°～180°,φ＝90°)的每一个该量测电场相位θ_i扣除该位移相位Δθ_i(xyz)随角度θ的变化，该角度θ可以参考图4的标示。

参阅图8，是该些子天线211、212、213、214输入等功率，S₁＝S₂＝S₃＝S₄，Δθ₁＝Δθ₂＝Δθ₃＝Δθ₄得到的XZ及YZ两平面的1×4波束成型辐射场型图。

参阅图9，是该些子天线211、212、213、214输入等功率，S₁＝S₂＝S₃＝S₄，Δθ₁＝0°、Δθ₂＝60°、Δθ₃＝120°、Δθ₄＝180°得到的XZ及YZ两平面的1×4波束成型辐射场型图。从图中可以发现经由改变Δθ_i＝1～N确实可以达到数组的波束角度从0°偏转了17°，且此1×4波束成型辐射场型图与学术研究之电磁仿真软件比较均一致，因此辐射场型图的曲线完全重迭一致。

参阅图10，本实施例除了可以采用如图3所示的紧缩场(Compact Antenna TestRange,CATR)技术去量测该封装天线2，还可以采用直接远场(Direct Far Field,DFF)及近场转换到远场(Near Field to Far Field Transformation,NFTF)技术去量测封装天线2。

本发明有益的功效在于：

(1)、更小的静区(Quiet Zone,QZ)需求。静区的大小只需要能涵盖极小面积的子天线21，而不需要能涵盖整个封装天线2，如此能降低对缩距场(CATR)的整体规格要求，或者从另一个角度来看，由于采用移动该封装天线2，将每一个当下被量测的该子天线21是位于静区中，而同样的测试环境中越大面积的静区中当然会对应较大的振幅与相位变化，而大静区中的局部小区域的振幅与相位变化自然就会相对小，并且，移动封装天线2导致在第j取样点01额外产生的该位移相位Δθ_i(xyz)则可以由该运算单元以数值方式扣除。

(2)、结合量测与运算，可以从每一个独立的子天线21量测得到的量测电场振幅与量测电场相位，结合数值运算给定的任意比例的该些振幅比例系数与该些输入相移，以数值运算免除外加的量测设备及组件，例如传统的同轴传输线1，因此能免除外加的量测设备及组件不一致所引入的量测误差。

(3)、缩短量测时间，省去外接实体的该量测设备10(见图2)所需要的时间。

(4)、节省成本，现有的OTA天线量测设备已具有量测子天线21的振幅与相位的功能，因此只要进一步结合运算单元30，就能评估如何控制该等子天线21的收发讯号振幅相位，以达到相控数组辐射场型评估的目的。

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

AiP 封装天线

RFIC 射频芯片

L1 天线组件辐射层

L2 传导线路层

PA 功率放大器单元

PS 多个相移器

1 同轴传输线

11 接头

12 焊接点

10 量测设备

13 天线贴片

2 封装天线

21 子天线

211～216 子天线

210 馈电点

20 场型量测单元

30 运算单元

3 探针

4 场型量测单元

01 取样点

02 几何中心。

Claims (10)

1.一种适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，应用于一封装天线，该封装天线包括N个子天线，参数N是大于3的整数，依序编号为第1～N号子天线，该评估系统包括：

一探针；

一场型量测单元，用以电连接该探针，当该场型量测单元执行量测工作时是移动该封装天线使位置固定的该探针依序碰触量测该些子天线，并量出一第j取样点处该第1～N号子天线所依序对应产生的N个量测电场振幅G_i＝1～N，及该N个量测电场相位θ_i＝1～N；及

一运算单元，根据该封装天线移动的三轴向位移(Δx,Δy,Δz)计算出相对应的一位移相位Δθ_i(xyz)，

其中，该球坐标参数(θ,φ)是该第j取样点的球坐标角度，该三轴向位移(Δx,Δy,Δz)是被量测的该个子天线的一馈电点到该封装天线的一几何中心的三个轴向距离，且该三轴向位移的XYZ三轴轴向定义与该第j取样点的球坐标(θ,φ)转换成直角坐标后的XYZ三轴轴向定义一致，

该运算单元更将每一个该量测电场相位θ_i扣除该位移相位Δθ_i(xyz)，并与一输入相移Δθ_i相加后得到一更新相位θ′_i，

该运算单元更将每一个该量测电场振幅G_i与一振幅比例系数S_i相乘后得到一权重调整振幅G′_i，

该运算单元更计算该封装天线的一评估阵列增益G_array，如下：

2.如权利要求1所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，θ′_i＝θ_i-Δθ_i(xyz)+Δθ_i。

3.如权利要求1所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，当第1～N号子天线输入的N个讯号大小比例依序为A1～AN时，则该振幅比例系数S_i如下：

4.如权利要求3所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，N＝4，A₁＝1、A₂＝2、A₃＝2、A₄＝1，该4个振幅比例系数依序如下：

5.如权利要求3所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，N＝4，A₁＝1、A₂＝1、A₃＝1、A₄＝1，该4个振幅比例系数依序如下：

6.如权利要求1所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，该参数j＝1～K，该K个取样点是彼此间隔并共同位于预设的一空间球面上。

7.如权利要求6所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，该运算单元更将第j取样点的座标位置与相对应的该评估阵列增益G_array作图，得到一波束成型辐射场型图。

8.如权利要求1所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，该场型量测单元是采用紧缩场(Compact Antenna Test Range,CATR)技术去量测该封装天线。

9.如权利要求1所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，该场型量测单元是采用直接远场(Direct Far Field,DFF)技术去量测该封装天线。

10.如权利要求1所述的适用于小静区的封装天线相控数组辐射场型评估系统，其特征在于，该场型量测单元是采用近场转换到远场(Near Field to Far FieldTransformation,NFTF)技术去量测该封装天线。

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