CN115639513A - 一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，包括预校准阶段和校准阶段；预校准阶段，采用一个标准待测天线作为参考件，放置于紧缩场静区；在未偏焦馈源情况下，旋转参考件0°和20°，记录这两组数据；在偏焦情况下，旋转参考件0，θ_m，30°并得到对应的S₂₁，记录这三组数据；得到两个偏转角度拟合函数的表达式；校准阶段将有问题的设备放置于紧缩场静区，将馈源根据馈源偏角0，20°，‑20°，分别定位于这三个位置，得到对应的S₂₁；将这三组测试数值带入无偏焦紧缩场角度功率拟合函数和偏焦紧缩场角度功率拟合函数中，得到问题设备的峰值偏移角以及偏转方向。本发明实现产线测试设备的角度校准，具有便捷高效的特点。

Description

一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校 准方法

技术领域

本发明涉及紧缩场产线测试技术领域，具体涉及一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法。

背景技术

5G乃至6G三大场景的不断革新对于物联网的发展有了极大地促进，同时也对通信设备的数量和质量提出了更高的要求。近些年，越来越多的高增益天线阵列被应用在各类的通讯设备，以及终端设备中。随着商用频率的增高和频带的拓展，通信设备的小型化已经成为大趋势，与此同时也带来了许多制造以及组装问题。其中，最严重的问题是设备中的高增益天线阵最大辐射方向发生偏移。偏角不大(一般小于30°)，但会极大地影响器件的空口辐射性能，例如峰值等效全向辐射功率(EIRP)。传统的天线方向图测量方法可用于校准角度，例如远场测量和多探头系统，但增加了测量成本和复杂性。此外，当待测产品数量不断增加，传统测试方法会增加测试成本并降低商业产品测试的效率。因此，具有高效角度校准方法的空口测试产线测试系统具有发展意义。

目前常见的几种测试方案主要分为远场测试和近场测试，但均不适用于产线化的测试场景。远场测试需要满足天线远场条件距离，因此对于测试空间需求太大，给产线带来过高的空间成本。近场测试分为近场扫描，近场多探头和反射面紧缩场测试。近场扫描采用机械扫描架，其耗费时间最长，效率低。近场多探头和反射面紧缩场的平台搭建费用过高，并且也不适合大批量设备检测。

透射紧缩场是一种可行的产线测试方案，但是现有的透射紧缩场不具备角度校准的功能。其原因主要是透射紧缩场包含馈源天线和透射准直器均为对称结构，产生的平面波静区也为对称静区，不具备角度方向的判断能力，并且角度与接收功率的关系也是未知的。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，该方法结合透射型紧缩场结构，根据透射准直器辐射场分布的特性，得到待测天线辐射峰值偏移角与接收功率的关系，并利用偏焦原理，将无偏焦和偏焦紧缩场结合得到一种全新测试方法，可以实现产线测试设备的角度校准，具有便捷高效的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，包括预校准阶段和校准阶段；

预校准阶段，采用一个标准待测天线作为参考件，放置于测试静区；在未偏焦馈源情况下，旋转参考件0°和20°，记录这两组数据，记录测得的二端口网络参数S₂₁数值，代表了紧缩场接收待测天线能量的高低；在偏焦情况下，旋转参考件0，θ_m，30°并得到对应的S₂₁，记录这三组数据；利用预校准测得的5组数据，得到两个偏转角度拟合函数的表达式，分别是无偏焦紧缩场角度功率拟合函数和偏焦紧缩场角度功率拟合函数；

校准阶段包含数据采样步骤以及对应的测试数据后处理步骤，将待测件放置于测试静区，将馈源天线一、馈源天线二和馈源天线三根据馈源偏角0，20°，-20°，分别定位于这三个位置，测得对应的二端口参数S₂₁；将三个位置测到的三组二端口参数S₂₁即为测试值带入无偏焦紧缩场角度功率拟合函数和偏焦紧缩场角度功率拟合函数中，求解函数即可得到待测件峰值偏移角以及偏转方向。

所述预校准阶段的两个拟合函数是通过分析馈源天线一和馈源天线二位置与不同偏转角度的关系，结合峰值EIRP测试指标，得到对应的解析式，以下为具体设计的步骤：

产线测试的指标：峰值等效全向辐射功率计算公式为：

EIRP(dBm)＝P(dBm)+Gain(dBi)

其中P为紧缩场的发射功率，Gain为待测天线的增益，由于P为额定功率，则天线的增益即对应于测试静区的接收功率成为影响峰值EIRP的主要因素；

利用一个高增益天线在静区内的角度旋转特性来模拟现实中由于加工制造以及装配因素导致的主瓣波束偏转现象，高增益天线采用的是一个线阵，该方法亦可推广至面阵，通过投影原理，即接收功率的变化特性随着偏转角度满足投影面积映射关系，通过计算，待测高增益天线的偏转角度与测试静区之间存在如下关系：

S₂₁(θ)＝M_p×cos(θ)+Q_original

此解析式即为无偏焦紧缩场角度功率拟合函数，其中θ为偏转角度，M_p为投影系数，Q_original为初始投影常数，S₂₁为紧缩场和待测天线之间的二端口网络参数，其与紧缩场的接收功率存在如下关系：

P_R＝PR×P＝|S₂₁|²P

其中P_R为接收功率，从该等式可以看出：S₂₁与接收功率可以一一对应，采用S₂₁作为评价峰值等效全向辐射功率的主要指标，但是，由于测试静区大小尺寸的限制，以上偏转角度与S₂₁的关系只限定于0-20°，并且不具备主瓣偏转方向的辨别能力；

紧接着，通过沿着竖直轴，移动紧缩场馈源天线，使静区的传播方向发生偏转，并且探究了静区偏转特性与馈源倾角的关系，进而得出馈源倾角与待测件偏转角的联系。

当馈源倾角与天线偏转角相等时，接收功率可恢复至正常数值，利用该特性，合理设计馈源倾角，将角度校准范围扩大至30°，其偏转角度与紧缩场之间的关系：

该解析式即为偏焦紧缩场角度功率拟合函数，其中θ_m为偏转初始角，M_d，M_u分别为0-θ_m，θ_m-30°的投影系数，Q_d，Q_u分别为初始投影常数，结合无偏焦紧缩场角度功率拟合函数，得到0-30°的校准范围，并可以识别偏转角度的方向：

当馈源倾角与天线偏转角数值相等，方向相反时，所得S₂₁明显低于两者同向时的数值，即通过不同馈源倾角来判定天线偏转角的方向。

所述校准阶段中的后处理步骤具体为：

步骤一：将馈源天线一测得的S₂₁带入无偏转紧缩场角度功率拟合函数，如果解得角度数值在0-20°之间，则即为测得该问题待测件的主辐射方向偏移角度；将馈源天线二和馈源天线三测得的S₂₁数值进行大小对比，如果馈源天线二数值大，则主辐射方向偏移为逆时针方向，如果馈源天线三数值大，则主辐射方向偏移为顺时针方向；

步骤二：如果步骤一中无偏转紧缩场角度功率拟合函数解得角度数值大于20°，则带入有偏转紧缩场角度功率拟合函数，并解得该问题待测件的主辐射方向偏移角度；同样将馈源天线二和馈源天线三测得的S₂₁数值进行大小对比，如果馈源天线二数值大，则主辐射方向偏移为逆时针方向，如果馈源天线三数值大，则主辐射方向偏移为顺时针方向。

所述馈源天线一、馈源天线二和馈源天线三为三种不同的测试位置，其方向正对紧缩场透射准直器。

本发明的有益效果：

本发明结合透射紧缩场设计，结构紧凑，方法简单高效，预校准阶段只需要测5组数据，校准阶段只需要测三组数据，即可得到问题设备的具体偏转角度，并且不借助复杂设备与场地，可以实现产线化的产品测试，有效的提高测试效率，降低测试成本，符合现有的大多数无线设备厂商的市场需求，因而具有较高的商业价值。

附图说明：

图1是结合测试传送带的问题天线角度校准商用测试方案示意图。

图2是预校准阶段无偏焦紧缩场采样措施示意图。

图3是预校准阶段偏焦紧缩场采样措施示意图。

图4是校准阶段紧缩场采样措施示意图。

图5是无偏焦紧缩场角度功率拟合函数对比图。

图6是偏焦紧缩场角度功率拟合函数对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，包括预校准阶段和校准阶段；

预校准阶段，采用一个标准待测天线(标准待测天线的意思是：进行预校准实验前，选取这一批待测天线中的具有标准波束指向的天线，作为预校准中的参考天线。预校准实验中，通过旋转该天线，模拟有角度偏转问题的待测天线)作为参考件，平行于紧缩场准直器放置于静区(如图2中的θ₁，此时即为初始角度0°)；在未偏焦馈源情况下，绕待测天线水平轴逆时针旋转参考件0°和20°，记录这两组数据(记录测得的二端口网络参数S₂₁数值，代表了紧缩场接收待测天线能量的高低)；在偏焦情况下，(如图3中的θ₃，此时即为初始角度0°)旋转参考件0，θ_m，30°并得到对应的S₂₁，记录这三组数据；利用预校准测得的5组数据，得到两个偏转角度拟合函数的表达式，分别是无偏焦紧缩场角度功率拟合函数和偏焦紧缩场角度功率拟合函数；

校准阶段(此时待测试天线是全部未知波束指向，因此，该阶段的目的是来检测他们偏转角度)包含数据采样步骤以及对应的测试数据后处理步骤，将待测件6放置于测试静区，将馈源天线一、馈源天线二和馈源天线三根据馈源偏角0，20°，-20°(馈源天线是紧缩场的辐射天线，需要通过紧缩场测试来获得其偏转角度，可以理解待测天线发射信息，馈源天线接收信息，二端口参数S₂₁即为接收信息的表征数值)，分别定位于这三个位置，测得对应的二端口参数S₂₁；将这三组测试数值(三个位置测到的三组二端口参数S₂₁即为测试值)带入无偏焦紧缩场角度功率拟合函数和偏焦紧缩场角度功率拟合函数中，求解函数即可得到待测件6峰值偏移角以及偏转方向。

如图1所示，本发明利用所提出的天线角度校准方法并结合透射紧缩场的产线测试条件得到一种快速高效的测试校准方案。

1，2，3分别是三个馈源天线置于三种不同的测试位置，其方向正对紧缩场准直器。图中4为透射准直器，5的阴影部分为测试静区，6为由于组装或者生产故障导致天线辐射峰值偏移的问题待测件，7为机械转轴传送带，8为无天线辐射峰值偏移的标准待测件。

图中待测件上方的深色图形为天线方向图的示意图，标准待测件8的方向图主瓣方向为垂直方向，既满足产品的需求，而问题待测件6的方向图主瓣有明显的偏离角，因而其辐射性能(峰值EIRP)受到很大影响，需要对其偏转角度进行校准。可以采用天线同时馈电，得到对应的接收功率，利用这三组数据，根据理论模型曲线，得到对应的偏转角度。

本设计有效的校准范围为-30°到30°，待测设备可以为线阵，也可以为方阵天线，整个校准过程快速高效，符合未来市场对于小型化通信设备的校准需求。

如图2所示，为预校准阶段无偏焦紧缩场采样措施。1为置于紧缩场中心位置的馈源天线，4为紧缩场准直器，8为预校准阶段采用的标准待测件。如图所示，标准待测件进行绕水平轴旋转，旋转两个角度0°和20°，测试得到这两个角度对应的S₂₁数值，即可用于计算无偏转紧缩场角度功率拟合函数的参数。

如图3所示，为预校准阶段偏焦紧缩场采样措施示意图。2为沿着垂直轴正向移动的馈源天线，其馈源偏角为-20°，4为紧缩场准直器，8为预校准阶段采用的标准待测件。如图所示，标准待测件进行绕水平轴旋转，旋转三个角度0°和θ_m和30°，并测试得到这三个角度对应的S₂₁数值，即可用于计算有偏转紧缩场角度功率拟合函数的参数。

如图4所示，为校准阶段的数据采样步骤，紧缩场采样措施示意图。1，2，3为馈源天线，例如图1中的结构，既可以通过将三个馈源天线置于三个位置进行测试，也可以将三个天线组成线阵置于对应位置进行测试，效果是相同的，后者更加节省时间与工序。4为紧缩场准直器，6为由于组装或者生产故障导致天线辐射峰值偏移的问题待测件。如图所示，将该问题待测件置于紧缩场静区中，通过三个位置天线的测试，得到对应的三个S₂₁数值。

校准阶段中的后处理步骤具体为：

步骤一：将馈源天线一1测得的S₂₁带入无偏转紧缩场角度功率拟合函数，如果解得角度数值在0-20°之间，则即为测得该问题待测件的主辐射方向偏移角度；将馈源天线二2和馈源天线三3测得的S₂₁数值进行大小对比，如果馈源天线二2数值大，则主辐射方向偏移为逆时针方向，如果馈源天线三3数值大，则主辐射方向偏移为顺时针方向；

步骤二：如果步骤一中无偏转紧缩场角度功率拟合函数解得角度数值大于20°，则带入有偏转紧缩场角度功率拟合函数，并解得该问题待测件的主辐射方向偏移角度；同样将馈源天线二2和馈源天线三3测得的S₂₁数值进行大小对比，如果馈源天线二2数值大，则主辐射方向偏移为逆时针方向，如果馈源天线三3数值大，则主辐射方向偏移为顺时针方向。

图5为无偏转紧缩场角度功率拟合函数的对比图。实线部分为测试数据，虚线部分为拟合函数的拟合曲线，可以从图中得知，在0-20°的范围内，该拟合函数具有极佳的拟合特性。只需要两组测试位置数据，可以用于校准问题待测件的角度。

图6为有偏焦紧缩场角度功率拟合函数的对比图。实线部分为测试数据，虚线部分为拟合函数的拟合曲线，可以从图中得知，在20°-30°的范围内，该拟合函数具有极佳的拟合特性。只需要三组测试位置数据，可以用于校准问题待测件的角度，并根据两个相反偏焦位置来校准该偏转角度的方向。

Claims (5)

1.一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，其特征在于，包括预校准阶段和校准阶段；

预校准阶段，采用一个标准待测天线作为参考件，放置于测试静区(5)；在未偏焦馈源情况下，旋转参考件0°和20°，记录这两组数据，记录测得的二端口网络参数S₂₁数值，代表了紧缩场接收待测天线能量的高低；在偏焦情况下，旋转参考件0，θ_m，30°并得到对应的S₂₁，记录这三组数据；利用预校准测得的5组数据，得到两个偏转角度拟合函数的表达式，分别是无偏焦紧缩场角度功率拟合函数和偏焦紧缩场角度功率拟合函数；

校准阶段包含数据采样步骤以及对应的测试数据后处理步骤，将待测件(6)放置于测试静区(5)，将馈源天线一(1)、馈源天线二(2)和馈源天线三(3)根据馈源偏角0，20°，-20°，分别定位于这三个位置，测得对应的二端口参数S₂₁；将三个位置测到的三组二端口参数S₂₁即为测试值带入无偏焦紧缩场角度功率拟合函数和偏焦紧缩场角度功率拟合函数中，求解函数即可得到待测件(6)峰值偏移角以及偏转方向。

2.根据权力要求1所述的一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，其特征在于，所述预校准阶段的两个拟合函数是通过分析馈源天线一(1)和馈源天线二(2)位置与不同偏转角度的关系，结合峰值EIRP测试指标，得到对应的解析式，以下为具体设计的步骤：

产线测试的指标：峰值等效全向辐射功率计算公式为：

EIRP(dBm)＝P(dBm)+Gain(dBi)

其中P为紧缩场的发射功率，Gain为待测天线的增益，由于P为额定功率，则天线的增益即对应于测试静区(5)的接收功率成为影响峰值EIRP的主要因素；

利用一个高增益天线在静区内的角度旋转特性来模拟现实中由于加工制造以及装配因素导致的主瓣波束偏转现象，高增益天线采用的是一个线阵，该方法亦可推广至面阵，通过投影原理，即接收功率的变化特性随着偏转角度满足投影面积映射关系，通过计算，待测高增益天线的偏转角度与测试静区(5)之间存在如下关系：

S₂₁(θ)＝M_p×cos(θ)+Q_original

此解析式即为无偏焦紧缩场角度功率拟合函数，其中θ为偏转角度，M_p为投影系数，Q_original为初始投影常数，S₂₁为紧缩场和待测天线之间的二端口网络参数，其与紧缩场的接收功率存在如下关系：

P_R＝PR×P＝|S₂₁|²P

其中P_R为接收功率，从该等式可以看出：S₂₁与接收功率可以一一对应，采用S₂₁作为评价峰值等效全向辐射功率的主要指标，但是，由于测试静区(5)大小尺寸的限制，以上偏转角度与S₂₁的关系只限定于0-20°，并且不具备主瓣偏转方向的辨别能力；

紧接着，通过沿着竖直轴，移动紧缩场馈源天线，使静区的传播方向发生偏转，并且探究了静区偏转特性与馈源倾角的关系，进而得出馈源倾角与待测件(6)偏转角的联系。

3.根据权力要求2所述的一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，其特征在于，当馈源倾角与天线偏转角相等时，接收功率可恢复至正常数值，利用该特性，合理设计馈源倾角，将角度校准范围扩大至30°，其偏转角度与紧缩场之间的关系：

该解析式即为偏焦紧缩场角度功率拟合函数，其中θ_m为偏转初始角，M_d，M_u分别为0-θ_m，θ_m-30°的投影系数，Q_d，Q_u分别为初始投影常数，结合无偏焦紧缩场角度功率拟合函数，得到0-30°的校准范围，并可以识别偏转角度的方向：

当馈源倾角与天线偏转角数值相等，方向相反时，所得S₂₁明显低于两者同向时的数值，即通过不同馈源倾角来判定天线偏转角的方向。

4.根据权力要求1所述的一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，其特征在于，所述校准阶段中的后处理步骤具体为：

步骤一：将馈源天线一(1)测得的S₂₁带入无偏转紧缩场角度功率拟合函数，如果解得角度数值在0-20°之间，则即为测得该问题待测件的主辐射方向偏移角度；将馈源天线二(2)和馈源天线三(3)测得的S₂₁数值进行大小对比，如果馈源天线二(2)数值大，则主辐射方向偏移为逆时针方向，如果馈源天线三(3)数值大，则主辐射方向偏移为顺时针方向；

步骤二：如果步骤一中无偏转紧缩场角度功率拟合函数解得角度数值大于20°，则带入有偏转紧缩场角度功率拟合函数，并解得该问题待测件的主辐射方向偏移角度；同样将馈源天线二(2)和馈源天线三(3)测得的S₂₁数值进行大小对比，如果馈源天线二(2)数值大，则主辐射方向偏移为逆时针方向，如果馈源天线三(3)数值大，则主辐射方向偏移为顺时针方向。

5.根据权力要求4所述的一种用于等效全向辐射功率测试的快速高效阵列波束偏角校准方法，其特征在于，所述馈源天线一(1)、馈源天线二(2)和馈源天线三(3)为三种不同的测试位置，其方向正对紧缩场透射准直器(4)。

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