TWI771092B - 適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統 - Google Patents

Abstract

一種適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，包括一探針、一場型量測單元及一運算單元。該位置固定的探針依序碰觸量測該等子天線的一饋電點，該場型量測單元量出一第j取樣點處該第i=1~N號子天線所依序對應產生的N(>3)個量測電場振幅G _i=1~N ，及N個量測電場相位θ _i=1~N 。該運算單元根據該封裝天線的位移計算出一位移相位△θ _i(xyz) 去修正該量測電場相位θ _i ，並根據輸入的一相移△θ _i 與一振幅比例係數S _i 去計算該封裝天線的一評估陣列增益G _array 。

Description

適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統

本發明是關於一種系統，特別是一種快速評估封裝天線相控陣列輻射場型並適用於小靜區的系統。

近年5G在FR1已實現商業化的腳步，隨之而來的是FR2更高頻的mmWave波段應用，產業為解決高頻訊號衰弱以及考量傳播距離短的限制，在行動終端(如智慧型手機)採用的是封裝天線AiP(Antenna in Package)對策，並且，隨著5G毫米波AiP廣泛地導入智慧型手機中，及智慧駕駛驅動車用毫米波雷達的高度需求，可預見地，在接下來的3至5年AiP的需求將出現爆發性的成長。

儘管AiP的上中下游市場商機在可預見的龐大，但其屬高技術門檻的新興商機，仍缺乏一套快速且準確的評估AiP採用相控陣列技術時其輻射場型隨著不同振幅與相位變化的評估系統。

參閱圖1，一個完整的封裝天線AiP包括一天線元件輻射層L1、一傳導線路層L2，及一射頻晶片RFIC。該射頻晶片RFIC透過該傳導線路層L2給予該等天線元件對應的振幅及相位權重，使該天線元件輻射層L1的輻射場型對應該等振幅及相位權重而變化。

參閱圖2，現有AiP開發階段時是利用如的AiP相控陣列的測試系統，其包括一功率放大器單元PA、多個相移器PS，及多條同軸傳輸線1。該功率放大器單元PA決定每一天線貼片的輸出訊號的振幅，該等相移器PS改變該等天線貼片的輸出訊號的相位，這樣的習知技術存在以下缺點：

(1)、每一相移器PS與天線貼片13之間是以等長度的一條同軸傳輸線1連接，理論上相同型號且等長的同軸傳輸線1應具有相同的路徑損號且無相位差，但實際上每條同軸傳輸線1都需要以網路分析儀量測，微調長度以縮小彼此間的相位差。

(2)、每一條同軸傳輸線1的電長度是對應頻率變化的值，舉例來說，即使在28GHz這些傳輸線經過調整其等相位差終於趨近相似，但在不同頻率時同軸傳輸線的特性會隨頻率而變化，且相位差的變化趨勢與頻率之間對應關係不規律，因此某些在28GHz電長度較長應剪短的同軸傳輸線1很可能在39GHz卻是電長度較短應增長的同軸傳輸線1，因測試需求所引入的該等同軸傳輸線1卻引入量測誤差。

(3)、此外，該等同軸傳輸線1的接頭11與焊接點12也都會造成不同的振幅及相位影響，甚至該等相移器PS彼此間也存在差異。

(4)、需要的量測靜區(Quiet Zone,QZ)較大，需涵蓋整個封裝天線AiP。

綜上所述，以外接的實體的量測設備10去調控該等天線貼片13的振幅及相位進而直接量測波束成型後的輻射場型會因為量測設備10本身而引入誤差，導致量測出來的結果與產品實際運作時的效能不同。

為了解決先前技術的問題，本發明提出了一種結合量測與運算的適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統。

本發明適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，應用於一封裝天線，該封裝天線包括N個子天線，參數N是大於3的整數，依序編號為第1~N號子天線，該評估系統包括一探針、一場型量測單元及一運算單元。

該場型量測單元用以電連接該探針，當該場型量測單元執行量測工作時是移動該封裝天線使位置固定的該探針依序碰觸量測該等子天線，並量出一第j取樣點處該第1~N號子天線所依序對應產生的N個量測電場振幅G _i=1~N ，及該N個量測電場相位θ _i=1~N 。

該運算單元根據該封裝天線移動的三軸向位移(△x,△y,△z)計算出相對應的一位移相位

，其中，該球座標參數(θ,Φ)是該第j取樣點的球座標角度，該三軸向位移(△x,△y,△z)是被量測的該個子天線的一饋電點到該封裝天線的一幾何中心的三個軸向距離，且該三軸向位移的XYZ三軸軸向定義與該第j取樣點的球座標(θ,Φ)轉換成直角座標後的XYZ三軸軸向定義一致。

該運算單元更將每一個該量測電場相位θ _i 扣除該位移相位△θ _i(xyz) ，並與一輸入相移△θ _i 相加後得到一更新相位θ' _i 。

該運算單元更將每一個該量測電場振幅G _i 與一振幅比例係數S _i 相乘後得到一權重調整振幅G' _i 。

該運算單元更計算該封裝天線的一評估陣列增益G _array ，如下：

較佳地，G' _i =S _i ×G _i ，θ' _i =θ _i -△θ _i(xyz) +△θ _i 。

較佳地，當第1~N號子天線輸入的N個訊號大小比例依序為A ₁ ~A _N 時，則該振幅比例係數S _i 如下：

較佳地，N=4，A₁=1、A₂=2、A₃=2、A₄=1，該4個振幅比例係數依序如下：

較佳地，N=4，A₁=1、A₂=1、A₃=1、A₄=1，該4個振幅比例係數依序如下：

較佳地，該參數j=1~K，該K個取樣點是彼此間隔並共同位於預設的一空間球面上。

較佳地，該運算單元更將第j取樣點的座標位置與相對應的該評估陣列增益G _array 作圖，得到一波束成型輻射場型圖。

較佳地，該場型量測單元是採用縮距天線量測場(Compact Antenna Test Range,CATR)技術去量測該封裝天線。

較佳地，該場型量測單元是採用直接遠場(Direct Far Field,DFF)技術去量測該封裝天線。

較佳地，該場型量測單元是採用近場轉換到遠場(Near Field to Far Field Transformation,NFTF)技術去量測該封裝天線。

本發明之效果在於：

(1)、更小的靜區(Quiet Zone,QZ)需求。靜區的大小只需要能涵蓋極小面積的子天線，而不需要能涵蓋整個該封裝天線，如此能降低對縮距場(CATR)的整體規格要求，或者從另一個角度來看，由於採用移動該封裝天線，將每一個當下被量測的該子天線是位於靜區中，而同樣的測試環境中越大面積的靜區中當然會對應較大的振幅與相位變化，而大靜區中的局部小區域的振幅與相位變化自然就會相對小。而移動該封裝天線導致在該第j取樣點額外產生的該位移相位則可以由該運算單元以數值方式扣除。

(2)、結合量測與運算，可以從每一個獨立的子天線量測得到的該量測電場振幅與該量測電場相位，結合數值運算給定的任意比例的該等振幅比例係數與該等輸入相移，以數值運算免除外加的量測設備及元件，例如習知的同軸傳輸線，因此能免除外加的量測設備及元件不一致所引入的量測誤差。

(3)、縮短量測時間，省去外接實體的該量測設備(見圖2)所需要的時間。

(4)、節省成本，現有的OTA天線量測設備已具有量測該子天線的該量測電場振幅與相位的功能，因此只要進一步結合該運算單元，就能評估如何控制該等子天線的收發訊號振幅相位，以達到相控陣列輻射場型評估的目的。

AiP:封裝天線

RFIC:射頻晶片

L1:天線元件輻射層

L2:傳導線路層

PA:功率放大器單元

PS:多個相移器

1:同軸傳輸線

11:接頭

12:焊接點

10:量測設備

13:天線貼片

2:封裝天線

21:子天線

211~216:子天線

210:饋電點

20:場型量測單元

30:運算單元

3:探針

4:場型量測單元

01:取樣點

02:幾何中心

第1圖是封裝天線的示意圖。

第2圖是封裝天線相控陣列測試系統的示意圖。

第3圖是本發明的較佳實施例的示意圖。

第4圖是封裝天線及探針的示意圖，說明封裝天線及探針的量測座標。

第5圖是封裝天線及直角座標的示意圖，說明三軸向位移的定義。

第6圖是球座標取樣點分佈的示意圖。

第7圖是以位移相位去修正量測電場相位的示意圖。

第8圖是等輸入相移時封裝天線XZ及YZ平面的波束成型輻射場型圖。

第9圖是不等輸入相移時封裝天線XZ及YZ平面的波束成型輻射場型圖。

第10圖是本發明的較佳實施例採用直接遠場或近場轉換到遠場技術的一示意圖。

參閱圖3及圖4，本發明適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統的較佳實施例包括一探針3、一場型量測單元20及一運算單元30。

該較佳實施例應用於一封裝天線2，該封裝天線2包括N(N>3)個子天線21，該N個子天線21依序編號為第1號子天線21到第N號子天線21，該較佳實施例可以綜合量測及運算評估出該等子天線21被給定不同的振幅比例及輸入相移後的評估陣列增益G _array 及輻射場型。

該場型量測單元20用以電連接該探針3，當該場型量測單元20執行量測工作時是移動該封裝天線2使位置固定的該探針3依序碰觸量測該等子天線21，並量出一第j取樣點處該第1~N號子天線21所依序對應產生的N個量測電場振幅G _i=1~N ，及該N個量測電場相位θ _i=1~N 。該場型量測單元20可以是採用如圖3的縮距天線量測場(Compact Antenna Test Range,CATR)技術去量測該封裝天線2。

該運算單元30運算單元根據該封裝天線2移動的三軸向位移(△x,△y,△z)計算出相對應的一位移相位

△y．sinθsinΦ+△z．cosθ)，其中，該球座標參數(θ,Φ)是該第j取樣點01的球座標角度，該三軸向位移(△x,△y,△z)是被量測的該個子天線21的一饋電點210到該封裝天線2的一幾何中心02的三個軸向距離，且該三軸向位移(△x,△y,△z)的三軸軸向定義與該第j取樣點01的球座標(θ,Φ)轉換成直角座標後的XYZ三軸軸向定義一致。

以圖4為例，D1=-7.95mm(△x=0,△y=-7.95mm,△z=0)，D2=-2.65mm(△x=0,△y=-2.65mm,△z=0)，D3=2.65mm(△x=0,△y=2.65mm0,△z=0)，D4=7.95mm(△x=0,△y=7.95mm,△z=0)。

以圖5為例，N=6，子天線211對應的△x=-|△X|,△y=-|△Y|,△z=0；子天線212對應的△x=0,△y=-|△Y|,△z=0；子天線213對應的△x=|△X|,△y=-|△Y|,△z=0；子天線214對應的△x=-|△X|,△y=|△Y|,△z=0；子天線215對應的△x=0,△y=|△Y|,△z=0；子天線216對應的△x=|△X|,△y=|△Y|,△z=0。

該運算單元30更將每一個該量測電場相位θ _i 扣除該位移相位△θ _i(xyz)，並與一輸入相移△θ _i 相加後得到一更新相位θ' _i ，該運算單元30更將每一個該量測電場振幅G _i 與一振幅比例係數S _i 相乘後得到一權重調整振幅G' _i ，該運算單元30更計算該封裝天線20的一評估陣列增益G _array ，如下：G' _i =S _i ×G _i ，θ' _i =θ _i -△θ _i(xyz) +△θ _i ，

當第1~N號子天線21輸入的N個訊號大小比例依序為A₁~A _N 時，則該振幅比例係數S _i 如下：

，i=1~N。

舉例說明，該等子天線21的數目為4，且功率分配是1：2：2：1，則A₁=1、A₂=2、A₃=2、A₄=1，該4個振幅比例係數依序如下：

若該等子天線21是等功率分配1：1：1：1，則A₁=1、A₂=1、A₃=1、A₄=1，該4個振幅比例係數依序如下：

參閱圖6，該第j取樣點01的參數j=1~K，該K個取樣點是彼此間隔並共同位於預設的一空間球面上，該運算單元30更將第j取樣點01的座標位置與相對應的該評估陣列增益G _array 作圖，得到一波束成型輻射場型圖。

舉例說明：第j=1取樣點θ=90°，ψ=0°；第j=2取樣點θ=80°,ψ=0°；第j=3取樣點θ=70°,ψ=0°；依此規則延續，第j=10取 樣點，θ=0°,ψ=0°；第j=11取樣點，θ=-10°,ψ=0°；第j=12取樣點，θ=-20°,ψ=0°；依此規則延續，第j=19取樣點，θ=-90°,ψ=0°；第j=20取樣點，θ=90°,ψ=10°；第j=21取樣點，θ=80°,ψ=10°；第j=22取樣點，θ=70°,ψ=10°；依此規則延續，第j=29取樣點，θ=0°,ψ=10°；第j=30取樣點，θ=-10°,ψ=10°；第j=31取樣點，θ=-20°,ψ=10°；依此延續完成所有取樣點01的量測與計算。

參閱圖7，是第j取樣點01在YZ切面(球座標的半徑r=固定值，θ=-180°~180°,ψ=90°)的每一個該量測電場相位θ _i 扣除該位移相位△θ _i(xyz) 隨角度θ的變化，該角度θ可以參考圖4的標示。

參閱圖8，是該等子天線211、212、213、214輸入等功率，S1=S2=S3=S4，△θ ₁ =△θ ₂ =△θ ₃ =△θ ₄ 得到的XZ及YZ兩平面的1x4波束成型輻射場型圖。

參閱圖9，是該等子天線211、212、213、214輸入等功率，S₁=S₂=S₃=S₄，△θ ₁ =0°、△θ ₂ =60°、△θ ₃ =120°、△θ ₄ =180°得到的XZ及YZ兩平面的1x4波束成型輻射場型圖。從圖中可以發現經由改變△θ _i=1~N 確實可以達到陣列的波束角度從0°偏轉了17°，且此1×4波束成型輻射場型圖與學術研究之電磁模擬軟體比較均一致，因此輻射場型圖的曲線完全重疊一致。

參閱圖10，本實施例除了可以採用如圖3所示的縮距天線量測場(Compact Antenna Test Range,CATR)技術去量測該封裝天線2，還可以採用直接遠場(Direct Far Field,DFF)及近場轉換到遠場(Near Field to Far Field Transformation,NFTF)技術去量測該封裝天線2。

本發明有益的功效在於：

(1)、更小的靜區(Quiet Zone,QZ)需求。靜區的大小只需要能涵蓋極小面積的子天線21，而不需要能涵蓋整個該封裝天線2，如此能降低對縮距場(CATR)的整體規格要求，或者從另一個角度來看，由於採用移動該封裝天線2，將每一個當下被量測的該子天線21是位於靜區中，而同樣的測試環境中越大面積的靜區中當然會對應較大的振幅與相位變化，而大靜區中的局部小區域的振幅與相位變化自然就會相對小，並且，移動該封裝天線2導致在該第j取樣點01額外產生的該位移相位△θ _i(xyz) 則可以由該運算單元以數值方式扣除。

(2)、結合量測與運算，可以從每一個獨立的子天線21量測得到的該量測電場振幅與該量測電場相位，結合數值運算給定的任意比例的該等振幅比例係數與該等輸入相移，以數值運算免除外加的量測設備及元件，例如習知的同軸傳輸線1，因此能免除外加的量測設備及元件不一致所引入的量測誤差。

(3)、縮短量測時間，省去外接實體的該量測設備10(見圖2)所需要的時間。

(4)、節省成本，現有的OTA天線量測設備已具有量測該子天線21的該量測電場振幅與相位的功能，因此只要進一步結合該運算單元30，就能評估如何控制該等子天線21的收發訊號振幅相位，以達到相控陣列輻射場型評估的目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作 之簡單地等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

20:場型量測單元

30:運算單元

2:封裝天線

21:子天線

3:探針

4:場型量測單元

Claims (9)

1. 一種適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，應用於一封裝天線，該封裝天線包括N個子天線，參數N是大於3的整數，依序編號為第1~N號子天線，該評估系統包括：一探針；一場型量測單元，用以電連接該探針，當該場型量測單元執行量測工作時是移動該封裝天線使位置固定的該探針依序碰觸量測該等子天線，並量出一第j取樣點處該第1~N號子天線所依序對應產生的N個量測電場振幅G _i=1~N ，及該N個量測電場相位θ _i=1~N ；及一運算單元，根據該封裝天線移動的三軸向位移(△x,△y,△z)計算出相對應的一位移相位

   

   ，其中，該球座標參數(θ,

   

   )是該第j取樣點的球座標角度，該三軸向位移(△x,△y,△z)是被量測的該個子天線的一饋電點到該封裝天線的一幾何中心的三個軸向距離，且該三軸向位移的XYZ三軸軸向定義與該第j取樣點的球座標(θ,

   

   )轉換成直角座標後的XYZ三軸軸向定義一致， 該運算單元更將每一個該量測電場相位θ _i 扣除該位移相位△θ _i(xyz) ，並與一輸入相移△θ _i 相加後得到一更新相位θ' _i ，該運算單元更將每一個該量測電場振幅G _i 與一振幅比例係數S_i相乘後得到一權重調整振幅G' _i ，該運算單元更計算該封裝天線的一評估陣列增益G _array ，如下：

   
2. 根據申請專利範圍第1適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，當第1~N號子天線輸入的N個訊號大小比例依序為A₁~A_N時，則該振幅比例係數S_i如下：

   
3. 根據申請專利範圍第2適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，N=4，A ₁ =1、A ₂ =2、A ₃ =2、A ₄ =1，該4個振幅比例係數依序如下：

   
4. 根據申請專利範圍第2適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，N=4，A ₁ =1、A ₂ =1、A ₃ =1、A ₄ =1，該4個振幅比例係數依序如下：

   
5. 根據申請專利範圍第1項之適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該參數j=1~K，該K個取樣點是彼此間隔並共同位於預設的一空間球面上。
6. 根據申請專利範圍第5項之適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該運算單元更將第j取樣點的座標位置與相對應的該評估陣列增益G _array 作圖，得到一波束成型輻射場型圖。
7. 根據申請專利範圍第1適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該場型量測單元是採用縮距天線量測場(Compact Antenna Test Range,CATR)技術去量測該封裝天線。
8. 根據申請專利範圍第1適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該場型量測單元是採用直接遠場(Direct Far Field,DFF)技術去量測該封裝天線。
9. 根據申請專利範圍第1適用於小靜區的封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該場型量測單元是採用近場轉換到遠場(Near Field to Far Field Transformation,NFTF)技術去量測該封裝天線。

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