TWI665825B - 天線遠場測試系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種天線遠場測試系統，其包含多輸入多輸出主動相列性天線陣列、和測試天線單元、差測試天線單元、網路分析儀以及處理單元。和測試天線單元以及差測試天線單元朝MIMO主動相列性天線陣列的待測天線單元分別發射和電磁輻射訊號以及差電磁輻射訊號。網路分析儀量測電磁互耦合參數。處理單元將和電磁輻射訊號與差電磁輻射訊號相減，以基本上消除和與差電磁輻射訊號的雜訊，接著編碼電磁輻射訊號中保留的部分，以壓制殘餘雜訊，藉以還原出真正的電磁互耦合參數。

Description

天線遠場測試系統

本發明是有關於一種天線測試系統，且特別是有關於一種可用於多輸入多輸出主動相列性天線陣列的天線遠場測試系統。

任何天線經過適當的操作，都可以在近場或遠場範圍內成功的測量。但由於成本、尺寸以及更多複雜的細節因素，導致遠近場範圍的優勢各有不同。一般來說，遠場範圍適合較低頻的天線，其需要單一場型量測；近場範圍適合較高頻或大型的天線，其需要完整場型和極化量測。每一個量測都有附加的子類型，它們各有一定的優點和缺點，這也使得遠近場之間的量測技術難以比較。傳統遠近場量測技術在做完整測量時，必須排除天氣、電磁干擾、安全等問題。因此，需使用微波暗室和規範以確保量測訊號的可靠性，這將增加測試場地建置成本及複雜度。

現已證明，相較於傳統被動天線，多輸入多輸出(MIMO)天線陣列系統需要更為詳盡的測量，需要一些額外量測裝備及複雜的測試方法，導致在系統開發過程中需要耗費巨資以建置複雜且昂貴的測試系統及儀器，例如近場量測系統或空中下載(Over-the-Air,OTA)量測系統。然而，MIMO天線陣列系統於天線基地(例如軍事用的雷達基地或無線通訊系統的基地台)佈 置完成後，如有些傳送/接收模組故障或是訊號相位及振幅設定不正確的話，如何執行重新校正天線單元的振幅和相位是非常重要的問題，因為無法在陣地上建立複雜且昂貴的近場量測系統或OTA量測系統。因此，必須開發一種簡易天線自校系統，此系統可以檢測失效的天線單元，並於陣地及時抽換更新，以維護MIMO天線系統得以正常工作。也就是說，在簡化測試系統對測試環境的嚴格要求，同時又可以兼顧確保量測訊號的可靠性，才是最好的測試方法。

為解決習知技術的缺失，本發明的目的在於示例性提供一種天線遠場測試系統，包含多輸入多輸出(MIMO)主動相列性天線陣列、和測試天線單元、差測試天線單元、網路分析儀以及處理單元。MIMO主動相列性天線陣列包含多個天線單元，位於多個天線單元的中心位置處的天線單元作為待測天線單元。和測試天線單元連接待測天線單元，和測試天線單元朝待測天線單元發射和電磁輻射訊號，以與待測天線單元發生電磁互耦合，其中和電磁輻射訊號包含和電磁互耦合部以及和天線雜訊部。差測試天線單元連接待測天線單元，設置與待測天線單元以及和測試天線單元共平面並相鄰於和測試天線單元，差測試天線單元以及待測天線單元之間的間距等於和測試天線單元以及待測天線單元之間的間距，差測試天線單元朝待測天線單元發射差電磁輻射訊號，以與待測天線單元發生電磁互耦合，其中差電磁輻射訊號包含差電磁互耦合部以及差天線雜訊部。網路分析儀連接和測試天線單元、差測試天線單元以及待測天線單元，以及連接除了待測天線單元以外的各天線單元至匹配負載，網路分析儀量測和測試天線單元以及差測試天線單元與待測天線單元之間的電磁互耦合，以輸出電磁互耦合參數，其中電磁互耦合參數包含電磁互耦合部以 及干擾雜訊部。處理單元連接和測試天線單元、差測試天線單元以及網路分析儀，處理單元將和電磁輻射訊號與差電磁輻射訊號相減，以基本上消除和天線雜訊部以及差天線雜訊部，處理單元編碼和電磁輻射訊號以及差電磁輻射訊號中保留的部分，並利用編碼的正交法則，從電磁互耦合參數中還原出電磁互耦合部，壓制干擾雜訊部。

本發明提供的天線遠場測試系統，其特點在於：

1.開放式領域測試環境的天線遠場場型測試

在測試天線端，首度提出應用雙天線取代單一天線，如此，利用雙天線的差和場型(Sum and difference pattern)的加減變化以簡化編碼器設計，同時也可以消除開放式環境測試的多重路徑干擾問題。

2.應用於多輸入多輸出主動天線陣列校準

待測天線單元的激發係數是依據待測天線單元的輻射場型而被調整，以使待測天線單元的輻射場型符合標準輻射場型。

50‧‧‧多輸入多輸出主動相列性天線陣列

501‧‧‧和測試天線單元

502‧‧‧差測試天線單元

5031‧‧‧天線單元

503‧‧‧待測天線單元

504‧‧‧網路分析儀

505‧‧‧匹配負載

506‧‧‧處理單元

801‧‧‧干擾雜訊

802‧‧‧多重路徑干擾雜訊

x、y、z、x’、y’、z’‧‧‧座標軸

R‧‧‧間距

h‧‧‧高度

d‧‧‧距離

θ、Φ‧‧‧方位角

S₁₁~S₃₃‧‧‧電磁互耦合取樣參數

圖1是本發明實施例的天線遠場測試裝置的第一示意圖。

圖2是本發明實施例的天線遠場測試裝置的第二示意圖。

圖3是本發明實施例的天線遠場測試裝置的第三示意圖。

圖4是本發明實施例的天線遠場測試裝置的網路分析儀所量測的電磁互耦合參數的波形圖。

圖5是本發明實施例的天線遠場測試裝置的處理單元消除干擾雜訊、地面反射雜波後的電磁互耦合參數的波形圖。

圖6是本發明實施例的天線遠場測試裝置的處理單元應用金氏碼對電磁輻射訊號編碼的褶積圖。

圖7是本發明實施例的天線遠場測試裝置的處理單元消除干擾雜訊、地面反射雜波、殘餘雜訊後的電磁互耦合參數的第一波 形圖。

圖8是本發明實施例的天線遠場測試裝置的處理單元消除干擾雜訊、地面反射雜波、殘餘雜訊後的電磁互耦合參數的第二波形圖。

請參閱圖1至圖8，圖1至圖3分別是本發明實施例的天線遠場測試裝置的第一至第三示意圖；圖4是本發明實施例的天線遠場測試裝置的網路分析儀所量測的電磁互耦合參數的波形圖；圖5是本發明實施例的天線遠場測試裝置的處理單元消除干擾雜訊、地面反射雜波後的電磁互耦合參數的波形圖；圖6是本發明實施例的天線遠場測試裝置的處理單元應用金氏碼對電磁輻射訊號編碼的褶積圖；圖7和圖8是本發明實施例的天線遠場測試裝置的處理單元消除干擾雜訊、地面反射雜波、殘餘雜訊後的電磁互耦合參數的第一和第二波形圖。

如圖1所示，天線遠場測試系統包含多輸入多輸出(MIMO)主動相列性天線陣列50、和測試天線單元501、差測試天線單元502、網路分析儀504以及處理單元506，其中MIMO主動相列性天線陣列50包含多個天線單元5031。在本實施例中，選擇位於多個天線單元5031的中心位置的天線單元作為待測天線單元503。

值得注意的是，如圖2所示，在本實施例中，一個待測天線單元503並非僅搭配一個測試天線單元，而是搭配雙測試天線單元501和502。待測天線單元503的中心線可對準和測試天線單元501以及差測試天線單元502的交界處，使得和測試天線單元501與差測試天線單元502以待測天線單元503的中心線相互對稱。

和測試天線單元501以及差測試天線單元502可與待測天線單元503設置於共平面。和測試天線單元501與待測天線單元503的間距R可等於差測試天線單元502與待測天線單元503的間距 R。和測試天線單元501以及差測試天線單元502可彼此相鄰、並列設置。和測試天線單元501與待測天線單元503之間的間距R可遠大於和測試天線單元501與差測試天線單元502之間的相隔距離d，屬於遠場範圍(far-field range)，並且和測試天線單元501以及差測試天線單元502可無線連接待測天線單元503，進行如下文將詳述的精準的遠場測試。

和測試天線單元501以及差測試天線單元502可同步或非同步地朝待測天線單元503分別發射和電磁輻射訊號以及差電磁輻射訊號，以與待測天線單元503發生電磁互耦合。其中，和電磁輻射訊號包含和電磁互耦合部以及和天線雜訊部，而差電磁輻射訊號包含差電磁互耦合部以及差天線雜訊部。也就是說，在和測試天線單元501以及待測天線單元503之間、差測試天線單元502以及待測天線單元503之間傳輸的電磁輻射訊號存在各種雜訊。

網路分析儀504可例如為4阜網路分析儀504，具有四個測試端，分別連接和測試天線單元501、差測試天線單元502、待測天線單元503以及匹配負載505。網路分析儀504可將除了待測天線單元503以外的多個天線單元5031連接至匹配負載505。透過此配置，網路分析儀504量測和測試天線單元501以及差測試天線單元502分別與待測天線單元503之間的電磁互耦合，以透過除與匹配負載505連接以外的其他三個測試端取得電磁互耦合參數。如圖4所示，網路分析儀504所量測到的電磁互耦合參數包含電磁互耦合部以及干擾雜訊部，而非真正的電磁互耦合參數(即電磁互耦合部)。

處理單元506例如處理器，其連接和測試天線單元501、差測試天線單元502以及網路分析儀504。值得注意的是，處理單元506將和測試天線單元501的和電磁輻射訊號與差測試天線單元502的差電磁輻射訊號相減，以基本上消除和天線雜訊部以及差天線雜訊部，如圖5所示的電磁輻射訊號相比於圖4具較少雜訊， 即已消除干擾雜訊801以及地面反射的多重路徑干擾雜訊802。處理單元506接著編碼和電磁輻射訊號以及差電磁輻射訊號中保留的部分，並利用編碼的正交法則，依據和電磁輻射訊號以及差電磁輻射訊號中保留的部分，以壓制電磁互耦合參數中的干擾雜訊部，藉以從電磁互耦合參數中還原出電磁互耦合部，如圖7和圖8所示，電磁輻射訊號中的雜訊大量減少，僅剩殘餘隨機雜訊。

以下將針對上述操作，具體描述在操作中所使用的運算。

當待測天線單元503作為接收端，搭配和測試天線單元501以及差測試天線單元502作為發射端時，操作模式有兩種：和電磁輻射訊號以及差電磁輻射訊號，分別由和測試天線單元501以及差測試天線單元502發射後，網路分析儀504將量測到如下的電磁互耦合參數：

其中，[S]代表電磁互耦合參數，S_ij(n)代表電磁互耦合取樣參數，S _ij (n)=S _ij (nT ₀)；t=nT ₀；i=1,2,3；j=1,2,3；n=1,2,3,........，T₀代表和電磁輻射訊號及差電磁輻射訊號的取樣周期。

和電磁輻射訊號以及差電磁輻射訊號是由以下方程式獲得：

其中，代表和電磁輻射訊號，中的S、cos(ψ)代表和訊號場型(Sum Pattern)，代表差電磁輻射訊號，中的D、sin(ψ)代表差訊號場型(Difference Pattern)，Γ代表網路分析儀504的與匹配負載505連接的端口例如第四端口的反射係數，a代表振福，E_s代表地面反射的多重路徑干擾雜訊，λ代表波長，d代表振福峰值，θ _s 代表多重路徑干擾雜訊的入射角度，E_j(θ_j ')代表入射角為 θ_j '的干擾雜訊，N^S(D)(n)代表殘餘隨機雜訊。

如果配置和測試天線單元501以及差測試天線單元502以待測天線單元503的中心線相互對稱，則由於幾何對稱關係，可將上列方程式簡化如下：

處理單元506是由以下方程式將和電磁輻射訊號與差電磁輻射訊號相減，不需要複雜電路設計或複雜計算，就可以消除和電磁輻射訊號的和天線雜訊部中的以及差電磁輻射訊號的差天線雜訊部中的入射角為θ'的干擾雜訊801，即E_j(θ_j ')，並建立二位元兩極訊號：

其中，r ₁(n)以及r _-1(n)代表二位元兩極訊號，N(n)代表殘餘隨機雜訊，E_s代表地面反射的多重路徑干擾雜訊。

處理單元506可調整和測試天線單元501以及差測試天線單元502的高度h，使得測試天線(TA)的和訊號場型cos(Ψ)與測試天線(TA)的差訊號場型sin(Ψ)可相互抵消。藉此，如由以下方程式可進一步消除和電磁輻射訊號的和天線雜訊部中的以及差電磁輻射訊號的差天線雜訊部中的地面反射的多重路徑干擾雜訊802/E_s如下方程式，因此不需要微波暗室就可以確保量測訊號的可靠性：

處理單元506包含編解碼器，用以編碼二位元兩極訊號，例如，如圖5所示，共進行測試127次後，用金氏碼(Gold Code) 進行127次編碼：X(t)=c(t)r(t) ,t=nT

如圖6所示，處理單元506可用相同的編碼作褶積，以消除電磁互耦合參數中的干擾雜訊部，而還原出電磁互耦合參數中的電磁互耦合部：

其中，c(t)代表編碼， R _cc (τ)代表c(t)的褶積， R _cn (τ)代表c(t)與殘餘隨機雜訊之間的互相關係數，T代表積分周期，S(τ)代表電磁互耦合部。

更詳細地說，待測天線單元503以及差測試天線單元502之間、待測天線單元503以及和測試天線單元501之間的真正電磁互耦合參數(即電磁互耦合參數的電磁互耦合部)(S(τ))是穩態訊號，而雜訊N(t)是殘餘隨機雜訊(即電磁互耦合參數的干擾雜訊部)。由於c(t)是慎選的已知編碼，因此自相關聯係數( R _cc (τ))可以計算獲得，而不相關聯係數( R _cn (τ))，則是非常小的數值。因此，可以由上列公式是計算真正電磁互耦合參數(S(τ))，同時可利用編碼的正交原理將殘餘雜訊N(n)壓制。因此，如圖7和圖8的將電磁輻射訊號的雜訊最小化所有的干擾訊號如入射角為θ'的干擾雜訊801、地面反射雜波以及隨機雜訊，都可以經由兩階段處理方式完全壓制，而不需複雜的編碼器設計及不需要用無反射實驗的吸波裝置，就可以解決電磁波弱訊號易受雜訊干擾影響測試誤差的問題。

最後，可將解碼的電磁互耦合參數的電磁互耦合部由下列公式轉換成相關的天線性能參數：

其中，代表待測天線單元503的增益場型分布，AUT代表待測天線單元503，(θ',Φ')代表待測天線單元503的方位角，G _TA 代表和測試天線單元501或差測試天線單元502的增益場型分布，TA代表和測試天線單元501以及差測試天線單元502，(θ=0°，Φ=90°)代表和測試天線單元501以及差測試天線單元502的方位角，R代表和測試天線單元501以及待測天線單元503的間距或差測試天線單元502以及待測天線單元503的間距(單位：公尺)，λ代表空中的訊號波長(單位：公尺)。

待測天線單元503的方位角(θ',Φ')設為(θ'=0°，Φ'=90°)，電磁互耦合參數由下列公式轉換成相關的天線性能參數：

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (8)

1. 一種天線遠場測試系統，包含：一多輸入多輸出(MIMO)主動相列性天線陣列，包含多個天線單元，位於該多個天線單元的中心位置處的其中一該天線單元作為一待測天線單元；一和測試天線單元，連接該待測天線單元，該和測試天線單元朝該待測天線單元發射一和電磁輻射訊號，以與該待測天線單元發生電磁互耦合，其中該和電磁輻射訊號包含一和電磁互耦合部以及一和天線雜訊部；一差測試天線單元，連接該待測天線單元，設置與該待測天線單元以及該和測試天線單元共平面並相鄰於該和測試天線單元，該差測試天線單元以及該待測天線單元之間的間距等於該和測試天線單元以及該待測天線單元之間的間距，該差測試天線單元朝該待測天線單元發射一差電磁輻射訊號，以與該待測天線單元發生電磁互耦合，其中該差電磁輻射訊號包含一差電磁互耦合部以及一差天線雜訊部；一網路分析儀，連接該和測試天線單元、該差測試天線單元以及該待測天線單元，以及連接除了該待測天線單元以外的各該天線單元至一匹配負載，該網路分析儀量測該和測試天線單元以及該差測試天線單元與該待測天線單元之間的電磁互耦合，以輸出一電磁互耦合參數，其中該電磁互耦合參數包含一電磁互耦合部以及一干擾雜訊部；以及一處理單元，連接該和測試天線單元、該差測試天線單元以及該網路分析儀，該處理單元將該和電磁輻射訊號與該差電磁輻射訊號相減，以基本上消除該和天線雜訊部以及該差天線雜訊部，該處理單元編碼該和電磁輻射訊號以及該差電磁輻射訊號中保留的部分，並利用編碼的正交法則，以壓制該干擾雜訊部，以從該電磁互耦合參數中還原出該電磁互耦合部。
2. 如請求項1所述的天線遠場測試系統，其中該電磁互耦合參數為：

   

   其中，[S]代表該電磁互耦合參數，S_ij(n)代表電磁互耦合取樣參數，S _ij (n)=S _ij (nT ₀)；t=nT ₀；i=1,2,3；j=1,2,3；n=1,2,3,...，T₀代表該和電磁輻射訊號及該差電磁輻射訊號的取樣周期。
3. 如請求項2所述的天線遠場測試系統，其中該和電磁輻射訊號以及該差電磁輻射訊號是由以下方程式獲得：

   

   其中，

   

   代表該和電磁輻射訊號，cos(ψ)代表和訊號場型，

   

   代表該差電磁輻射訊號，sin(ψ)代表差訊號場型，Γ代表該網路分析儀的與該匹配負載連接的端口的反射係數，a代表振福，E_s代表地面反射的多重路徑干擾雜訊，λ代表波長，d代表振福峰值，θ _s 代表多重路徑干擾雜訊的入射角度，E_j(θ')代表入射角為θ'的干擾雜訊，N^S(D)(n)代表殘餘隨機雜訊。
4. 如請求項3所述的天線遠場測試系統，其中該和測試天線單元與該差測試天線單元以該待測天線單元的中心線相互對稱，由於幾何對稱關係獲得下列方程式：

   

   
5. 如請求項4所述的天線遠場測試系統，其中該處理單元是由以下方程式將該和電磁輻射訊號與該差電磁輻射訊號相減，以消除入射角為θ'的干擾雜訊，並取得二位元兩極訊號：

   

   其中，r ₁(n)以及r _-1(n)代表二位元兩極訊號，N(n)代表殘餘隨機雜訊，E_s代表地面反射的多重路徑干擾雜訊；該處理單元控制該和測試天線單元以及該差測試天線單元的高度，以由以下方程式進一步消除該和天線雜訊部以及該差天線雜訊部中的地面反射的多重路徑干擾雜訊：

   
6. 如請求項5所述的天線遠場測試系統，其中該處理單元包含一編解碼器，該編解碼器編碼二位元兩極訊號，並用相同的編碼作褶積，以還原出該電磁互耦合部：X(t)=c(t)r(t)

   

   ,t=nT

   

   其中，c(t)代表編碼， R _cc (τ)代表c(t)的褶積， R _cn (τ)代表c(t)與殘餘隨機雜訊之間的互相關係數，T代表積分周期，S(τ)代表該電磁互耦合部。
7. 如請求項6所述的天線遠場測試系統，其中該電磁互耦合部由下列公式轉換成相關的天線性能參數：

   

   其中，

   

   代表該待測天線單元的增益場型分布，AUT代表該待測天線單元，(θ',Φ')代表該待測天線單元的方位角，G _TA 代表該和測試天線單元以及該差測試天線單元的增益場型分布，TA代表該和測試天線單元以及該差測試天線單元，(θ=0°，Φ=90°)代表該和測試天線單元以及該差測試天線單元的方位角，R代表該和測試天線單元以及該待測天線單元的間距，λ代表空中的訊號波長。
8. 如請求項7所述的天線遠場測試系統，其中該待測天線單元的方位角(θ',Φ')設為(θ=0°，Φ=90°)，該電磁互耦合部由下列公式轉換成相關的天線性能參數：