CN116008679A - 近场幅相数据提取电路及近场幅相数据提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种近场幅相数据提取电路及近场幅相数据提取方法，其中，近场幅相数据提取电路包括电性连接的列内比较电路和列间比较电路，列内比较电路进一步细分为组内检测单元和组间比较单元，在对阵列天线进行幅相数据提取时，通过建立组间相位差和列间相位差，联同组内的各单元相对相位，从而获得全阵列的绝对相位。通过对阵列天线进行分列、分组，不同组天线同步检测幅相数据，大大提高了幅相数据的提取速度，提高生产效益。

Description

近场幅相数据提取电路及近场幅相数据提取方法

技术领域

本发明涉及天线检测技术领域，具体而言，本发明涉及一种近场幅相数据提取电路及近场幅相数据提取方法。

背景技术

电磁场的近场离散扫描数据可以无失真地重构电磁场，从而能够应用在以下场景：1）相控阵天线的口面诊断以及异常单元的检出；2）分析高速集成电路的辐射场，从而检出局部的异常辐射（异常辐射意味着阻抗不匹配），从而为电路高速性能的改进提供佐证数据；3）定位电路或系统的电磁干扰源，为EMC整改提供参考信息；4）实现人体组织对电磁波吸收率的评定，即SAR测试。

近场电场采样是测量手机等电子设备电磁辐射（SAR）的主要方法，该测量方法通过电场探头天线逐点测量电子设备的辐射电场强度，再进一步地计算人体组织对电磁波能量的吸收，从而获得人体组织对电磁场能量的吸收。电磁场的近场测试采用辐射特性已知的探头天线对待测电磁场进行扫描（主动扫描或被动的阵列接收），采样得到辐射场的幅相响应，再通过近远场变化算法得到口径场合特别吸收率的计算结果。

为了获得一定空间内的三维电磁场分布，需要对空间电磁场进行平面采样，要么采用伺服机构携带单个采样探头实现机械扫描，逐个位置移动实现数据采样，要么采用平面探头阵列将空间电磁场的平面采样数据批量读回。伺服扫描采样方法耗时较大，平面探头阵列采样耗时相对较少。一般而言，伺服机构运动采样的测试时间长达数十个小时，而阵列采样时间可缩短至数分钟。

基于阵列采样的SAR测试系统专利详见：System For Measuring AnElectromagnetic Field(EP2519828B1)以及Measuring An Electromagnetic Field（EP2610628A1），这两个测试系统对于电磁场的幅相采样是基于遍历形式的逐一比较方式进行的，对于N个天线单元的天线来说，射频开关的切换和数据采集动作需要进行N次，因此总的时间消耗为Nτ，其中τ为单步（开关切换和数据采集）所需时间，对于天线单元数量较大的情况来说，系统切换和采样的时间消耗仍相当大，假设τ=1ms，N=400，则完成一次全阵的数据采样耗时400ms耗时较长。

以上遍历式的采样方式中，阵列天线的幅相数据提取需要固定某一个较大幅值的信号作为参考，然后遍历其他探头，实现各个探头的幅度和相位的提取。这种遍历过程需要大量的上位机数据分发及大量的开关切换动作，导致测试速度存在瓶颈。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种可大大减小采样时间的近场幅相数据提取电路及其实施的近场幅相数据提取方法。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种近场幅相数据提取电路，用于提取含多列天线单元的天线阵列的幅相数据，包括均具有输入端和输出端的列内比较电路和列间比较电路；所述列内比较电路包括多个组内检测单元和组间比较单元，所述组间比较单元与所述多个组内检测单元均连接；所述组内检测单元用于可切换地将同组的多个天线单元与组内的参考天线单元连接，以用于获取各天线单元与参考天线单元之间的相对相位，其中，所述组内的参考天线单元为在组内提供参考信号的天线单元，所述相对相位为各天线单元与参考天线单元之间的相位差；所述组间比较单元用于连接于各组的参考天线单元，以用于获得列内各组的相位修正向量，所述相位修正向量为列内各组参考天线单元与对应一列最后一组的参考天线单元之间的相位差；所述列间比较电路用于连接于各列的列参考天线单元，用于获得列间相位检测向量及列间相位修正向量，所述列间相位检测向量为各列的列参考天线单元与阵列参考天线单元之间的相位差，所述列间相位修正向量为各参考列的列参考天线单元与阵列参考天线单元的相位差，所述列参考天线单元为一列天线单元中最后一个天线单元，所述阵列参考天线单元为整个阵列最后一个天线单元。

在其中一种实施方式中，所述组内检测单元包括第一射频开关、第二射频开关和具有幅相检测及对比功能的第一幅相检测器；所述第一射频开关具有多个输入端和一个输出端，第一射频开关的多个输入端用于与组内非提供参考信号的天线单元一一对应连接，第一射频开关的所述输出端连接于第一幅相检测器的输入端；所述第二射频开关具有一个输入端和两个输出端，第二射频开关的输入端用于连接组内参考天线单元，第二射频开关其中一个输出端连接于第一幅相检测器，另一个输出端连接于组间比较单元；所述第一幅相检测器用于输出组内各天线单元的相对相位。

在其中一种实施方式中，所述组间比较单元包括第三射频开关和具有幅相检测及对比功能的第二幅相检测器；所述第三射频开关具有多个输入端和一个输出端，第三射频开关的输入端与各组的第二射频开关的另一个输出端一一对应连接；所述第二幅相检测器具有两个输入端和一个输出端，第三射频开关的输出端与第二幅相检测器的一个输入端相接，第二幅相检测器的另一个输入端与列参考天线单元连接，第二幅相检测器的输出端用于输出各组的相位修正向量。

在其中一种实施方式中，所述列间比较电路包括第四射频开关、第五射频开关、第六射频开关、第三幅相检测器和第四幅相检测器，所述第三幅相检测器和第四幅相检测器均具有两个输入端和一个输出端且均具有幅相检测及对比功能；所述第四射频开关具有多个输入端和一个输出端，第四射频开关的所述多个输入端用于与多列的列参考天线单元一一对应连接，其输出端连接于第三幅相检测器的一个输入端；所述第五射频开关具有一个输入端和两个输出端，第五射频开关的输入端用于连接参考列的列参考天线单元，其中一个输出端连接于第三幅相检测器的一个输入端，另外一个输出端连接于第六射频开关；所述第六射频开关具有多个输入端和一个输出端，第六射频开关的多个输入端与第五射频开关的输出端一一对应连接，其输出端连接于第四幅相检测器的一个输入端；第四幅相检测器另一个输入端用于连接到阵列参考天线单元，其输出端用于输出列间相位修正向量。

在其中一种实施方式中，所述第一射频开关、第三射频开关、第四射频开关和第六射频管均为单刀四掷开关；第二射频开关和第五射频开关均为单刀双掷开关。

第二方面，提供一种近场幅相数据提取方法，由上述近场幅相数据提取电路实施，包括以下步骤：将每列天线单元分为多组天线单元，每组天线单元包括多个天线单元；切换组内各天线单元与组内参考天线单元连接，获取各天线单元相对组内参考天线单元的相位差；切换不同组的参考天线单元与列内参考天线单元连接，获取各组天线单元的相位修正向值；通过列间比较电路获得列间相位检测向量及列间相位修正向量；根据阵列参考天线单元的相位、组内各相位差、列内相位修正向量、列间相位检测向量及列间相位修正向量，获得全阵列的绝对相位。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的近场幅相数据提取电路包括电性连接的列内比较电路和列间比较电路，列内比较电路进一步细分为组内检测单元和组间比较单元，在对阵列天线进行幅相数据提取时，通过建立组间相位差和列间相位差，联同组内的各单元相对相位，获得全阵列的绝对相位。通过对阵列天线进行分列、分组，不同组天线同步检测幅相数据，大大提高了幅相数据的提取速度，提高生产效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一种实施例提供的列内比较电路的结构示意图；

图2为本发明一种实施例提供的20列天线列内比较电路的结构示意图；

图3为本发明一种实施例提供的列间比较电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“连接”可以是直接相接，也可是通过中间部件（元件）间接连接。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元一定为不同的装置、模块或单元，也并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

参见图1至图3，本发明涉及一种近场幅相数据提取电路及其实施的幅相数据提取方法，通过设置列内比较电路和列间比较电路，列内比较电路进一步细化为多个组内检测单元和组间比较单元，在对阵列天线进行幅相数据提取时，通过建立组间相位差和列间相位差，联同组内的各单元相对相位，获得全阵列的绝对相位。通过对阵列天线进行分列、分组，不同组天线同步检测幅相数据，大大提高了幅相数据的提取速度，提高生产效益。

在其中一种实施方式中，所述列内比较电路包括多个组内检测单元和组间比较单元，所述组间比较单元与所述多个组内检测单元均连接；所述组内检测单元用于可切换地将同组的多个天线单元与组内的参考天线单元连接，以用于获取各天线单元与参考天线单元之间的相对相位，其中，所述组内的参考天线单元为在组内提供参考信号的天线单元，所述相对相位为各天线单元与参考天线单元之间的相位差；所述组间比较单元用于连接于各组的参考天线单元，以用于获得列内各组的相位修正向量，所述相位修正向量为列内各组参考天线单元与对应一列最后一组的参考天线单元之间的相位差；所述列间比较电路用于连接于各列的列参考天线单元，用于获得列间相位检测向量及列间相位修正向量，所述列间相位检测向量为各列的列参考天线单元与阵列参考天线单元之间的相位差，所述列间相位修正向量为各参考列的列参考天线单元与阵列参考天线单元的相位差，所述列参考天线单元为一列天线单元中最后一个天线单元，所述阵列参考天线单元为整个阵列最后一个天线单元。

在其中一种实施方式中，所述组内检测单元包括第一射频开关1、第二射频开关2和具有幅相检测及对比功能的第一幅相检测器10；所述第一射频开关1具有多个输入端和一个输出端，第一射频开关1的多个输入端用于与组内非提供参考信号的天线单元一一对应连接，第一射频开关1的所述输出端连接于第一幅相检测器10的输入端；所述第二射频开关2具有一个输入端和两个输出端，第二射频开关2的输入端用于连接组内参考天线单元，第二射频开关2其中一个输出端连接于第一幅相检测器10，另一个输出端连接于组间比较单元；所述第一幅相检测器10用于输出组内各天线单元的相对相位。

在其中一种实施方式中，所述组间比较单元包括第三射频开关3和具有幅相检测及对比功能的第二幅相检测器20；所述第三射频开关3具有多个输入端和一个输出端，第三射频开关3的输入端与各组的第二射频开关2的另一个输出端一一对应连接；所述第二幅相检测器20具有两个输入端和一个输出端，第三射频开关3的输出端与第二幅相检测器20的一个输入端相接，第二幅相检测器20的另一个输入端与列参考天线单元连接，第二幅相检测器20的输出端用于输出各组的相位修正向量。

在其中一种实施方式中，所述列间比较电路包括第四射频开关5、第五射频开关6、第六射频开关7、第三幅相检测器30和第四幅相检测器40，所述第三幅相检测器30和第四幅相检测器40均具有两个输入端和一个输出端且均具有幅相检测及对比功能；所述第四射频开关5具有多个输入端和一个输出端，第四射频开关5的所述多个输入端用于与多列的列参考天线单元一一对应连接，其输出端连接于第三幅相检测器30的一个输入端；所述第五射频开关6具有一个输入端和两个输出端，第五射频开关6的输入端用于连接参考列的列参考天线单元，其中一个输出端连接于第三幅相检测器30的一个输入端，另外一个输出端连接于第六射频开关7；所述第六射频开关7具有多个输入端和一个输出端，第六射频开关7的多个输入端与第五射频开关6的输出端一一对应连接，其输出端连接于第四幅相检测器40的一个输入端；第四幅相检测器40另一个输入端用于连接到阵列参考天线单元，其输出端用于输出列间相位修正向量。

在其中一种实施方式中，所述第一射频开关1、第三射频开关3、第四射频开关5和第六射频管均为单刀四掷开关；第二射频开关2和第五射频开关6均为单刀双掷开关。

所述列内比较电路还设有第七射频开关4，所述第七射频开关4为单刀三掷开关，包括一个输入端和三个输出端，其中第七射频开关4的输入端用于连接列内参考天线单元，其中两个输出端分别与第一幅相检测器10和第二幅相检测器20连接，另一个输出端用于向该列外输出该列天线的参考信号，以用于进行列间相位比较。

所述列间比较电路还包括第八射频开关8，所述第八射频开关8为单刀三掷开关，包括一个输入端和三个输出端，所述输入端用于连接到阵列参考天线单元，其中两个输出端分别与第三幅相检测器30和第四幅相检测器40连接，另一个输出端用于输出阵列参考天线单元的参考信号。

以下以20列×20行天线单元的阵列天线为例，说明本发明的近场幅相数据提取电路的结构及其提取阵列天线幅相数据的工作原理。

第一步，将一列天线单元分为四组，每组五个天线单元，提供五路信号，其中最后一个天线单元为组内参考天线单元，用于提供组内参考信号。对应地，每个列内比较电路设置四个第一射频开关1，每个第一射频开关1为单刀四掷开关，对应与四个非提供参考信号的天线单元连接，通过第一射频开关1依次切换各天线单元与组内参考天线单元电性连接，进行相位比较，获得组内各单元的幅相数据。

具体地，第一组包含天线单元a1_1、a1_2、a1_3、a1_4和a1_5。第一组通过切换第一射频开关，将a1_1、a1_2、a1_3、a1_4分别与a1_5比较得到幅相参数b1_1，如图1所示。b1_1为5×2矩阵，第一列为幅度数据mag(a1_1)~ mag(a1_5)，第二列为相位数据phi(a1_1)~phi(a1_5)，其中phi(a1_5)=0为第一组的相位基准，相当于a1_5自我鉴相得到的相位。然后，依次计算第一列第二、三、四组的幅相参数b1_2~ b1_4。

第二步，切换各参考路中的第三射频开关3，对a1_5、a1_10、a1_15、a1_20进行相位检测，得到列相位修正向量br1。br1为四元素向量，br1（1）为a1_5与a1_20的相位差，br1（2）为a1_10与a1_20的相位差，br1（3）为a1_15与a1_20的相位差，br1（4）=0。由此，得到了第一列天线各组的相位修正值，修正后的相位如表1最后一列所示。其中为p1为列间相位修正值，即第一列（最后一个单元）与第二十列（最后一个单元）的基础相位差，其标定方法见第四步。

表1 第一列天线单元的幅相数据

第三步，对第2~20列的天线按照第一步和第二步得到各个单元的幅相数据，第N列天线的幅相数据如表2所示。

表2 第一列天线单元的幅相数据

列间相位差提取需要各列提供参考信号，因此将a1_20通过射频开关单独输出为ar1，其余各列也将最后一个单元aN_20单独输出为arN。

第四步，对20列天线的参考数据ar1~ar20进行与列内采样相同的处理流程，如图3所示，其中，切换第四、第五、第六射频开关和第八射频开关。由于各路参考数据的幅度在第一~第三步已经得到，因此本步骤不再计算幅度数据，而只计算相位数据。首先得到各列间的相位检测向量cr1~cr4以及相位修正向量cr5。cr5为四元素向量，cr5(1)对cr1进行修正，得到第1列~第5列的列间相位修正值p1~p5；cr5(2)对cr2进行修正，得到第6列~第10列的列间相位修正值p6~p10；cr5(3)对cr3进行修正，得到第11列~第15列的列间相位修正值p11~p15；cr5(4)=0，第16列~第20列无需修正，如表3所示。

表3 列间相位修正值的标定

经过以上四步，得到20×20个天线单元的幅度矩阵和相位矩阵，其中全部阵列的相位参考信号为阵列最后一个天线单元a20_20的信号。

在400天线单元的阵列天线幅相数据采样过程中，由于采用多路并行采样的方式，各组只需要切换4次，即可完成组内幅相数据采样；完成组间相位修正只需要切换3次；同样完成列间相位修正也只需要切换7次。因此完成全阵采样只需要进行14次开关切换和采样动作，若单次动作耗时，那么完成一次全阵（400个天线单元）的数据采样耗时14ms，相比于原400ms的耗时，在采样速度方面具有极大的改进，有利于提高生产效益。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中发明的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (6)

1.一种近场幅相数据提取电路，用于提取含多列天线单元的天线阵列的幅相数据，其特征在于，包括均具有输入端和输出端的列内比较电路和列间比较电路；

所述列内比较电路包括多个组内检测单元和组间比较单元，所述组间比较单元与所述多个组内检测单元均连接；

所述组内检测单元用于可切换地将同组的多个天线单元与组内的参考天线单元连接，以用于获取各天线单元与参考天线单元之间的相对相位，其中，所述组内的参考天线单元为在组内提供参考信号的天线单元，所述相对相位为各天线单元与参考天线单元之间的相位差；

所述组间比较单元用于连接于各组的参考天线单元，以用于获得列内各组的相位修正向量，所述相位修正向量为列内各组参考天线单元与对应列最后一组的参考天线单元之间的相位差；

所述列间比较电路用于连接于各列的列参考天线单元，用于获得列间相位检测向量及列间相位修正向量，所述列间相位检测向量为各列的列参考天线单元与阵列参考天线单元之间的相位差，所述列间相位修正向量为各参考列的列参考天线单元与阵列参考天线单元的相位差，所述列参考天线单元为一列天线单元中最后一个天线单元，所述阵列参考天线单元为整个阵列最后一个天线单元。

2.根据权利要求1所述的近场幅相数据提取电路，其特征在于，所述组内检测单元包括第一射频开关、第二射频开关和具有幅相检测及对比功能的第一幅相检测器；

所述第一射频开关具有多个输入端和一个输出端，第一射频开关的多个输入端用于与组内非提供参考信号的天线单元一一对应连接，第一射频开关的所述输出端连接于第一幅相检测器的输入端；

所述第二射频开关具有一个输入端和两个输出端，第二射频开关的输入端用于连接组内参考天线单元，第二射频开关其中一个输出端连接于第一幅相检测器，另一个输出端连接于组间比较单元；

所述第一幅相检测器用于输出组内各天线单元的相对相位。

3.根据权利要求2所述的近场幅相数据提取电路，其特征在于，所述组间比较单元包括第三射频开关和具有幅相检测及对比功能的第二幅相检测器；

所述第三射频开关具有多个输入端和一个输出端，第三射频开关的输入端与各组的第二射频开关的另一个输出端一一对应连接；

所述第二幅相检测器具有两个输入端和一个输出端，第三射频开关的输出端与第二幅相检测器的一个输入端相接，第二幅相检测器的另一个输入端与列参考天线单元连接，第二幅相检测器的输出端用于输出各组的相位修正向量。

4.根据权利要求3所述的近场幅相数据提取电路，其特征在于，所述列间比较电路包括第四射频开关、第五射频开关、第六射频开关、第三幅相检测器和第四幅相检测器，所述第三幅相检测器和第四幅相检测器均具有两个输入端和一个输出端且均具有幅相检测及对比功能；

所述第四射频开关具有多个输入端和一个输出端，第四射频开关的所述多个输入端用于与多列的列参考天线单元一一对应连接，其输出端连接于第三幅相检测器的一个输入端；

所述第五射频开关具有一个输入端和两个输出端，第五射频开关的输入端用于连接参考列的列参考天线单元，其中一个输出端连接于第三幅相检测器的一个输入端，另外一个输出端连接于第六射频开关；

所述第六射频开关具有多个输入端和一个输出端，第六射频开关的多个输入端与第五射频开关的输出端一一对应连接，其输出端连接于第四幅相检测器的一个输入端；

第四幅相检测器另一个输入端用于连接到阵列参考天线单元，其输出端用于输出列间相位修正向量。

5.根据权利要求4所述的近场幅相数据提取电路，其特征在于，所述第一射频开关、第三射频开关、第四射频开关和第六射频管均为单刀四掷开关；第二射频开关和第五射频开关均为单刀双掷开关。

6.一种近场幅相数据提取方法，其特征在于，由权利要求1至5中任意一项所述的近场幅相数据提取电路实施，包括以下步骤：

将每列天线单元分为多组天线单元，每组天线单元包括多个天线单元；

切换组内各天线单元与组内参考天线单元连接，获取各天线单元相对组内参考天线单元的相位差；

切换不同组的参考天线单元与列内参考天线单元连接，获取各组天线单元的相位修正向值；

通过列间比较电路获得列间相位检测向量及列间相位修正向量；

根据阵列参考天线单元的相位、组内各相位差、列内相位修正向量、列间相位检测向量及列间相位修正向量，获得全阵列的绝对相位。

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