TWI794840B - 封裝天線相控陣列輻射場型評估系統 - Google Patents

Abstract

一種封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，包括一輻射場型量測設備及一運算單元。該輻射場型量測設備量測出一第j取樣點處該第1~N號子天線所依序對應產生的N(>3)個量測電場振輻G _i=1~N ，及N個量測電場相位θ _i=1~N 。該運算單元將每一個該量測電場相位θ _i 與一輸入相移△θ _i 相加後得到一更新相位θ' _i ，並且，將每一個該量測電場振輻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 ，且計算該封裝天線的一評估陣列增益G _array ，G' _i =S _i ×G _i ，θ' _i =θ _i +△θ _i ，

Description

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。

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封裝天線相控陣列輻射場型評估系統。

本發明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，依序編號為第1~N號子天線，該評估系統包括一輻射場型量測設備及一運算單元。

該輻射場型量測設備，量測出一第j取樣點處該第1~N號子天線所依序對應產生的N個量測電場振輻G _i=1~N ，及N個量測電場相位θ _i=1~N 。

運算單元，將每一個該量測電場相位θ_i與一輸入相移△θ _i 相加後得到一更新相位θ' _i ，並且，將每一個該量測電場振輻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 ，且計算該封裝天線的一評估陣列增益G _array ，如下：G' _i =S _i ×G _i ，θ' _i =θ _i +△θ _i ，

。

較佳地，該輻射場型量測設備包括相電連接的一探針及一場型量測單元，該探針依序碰觸量測該等子天線，並量測得到該N個量測電場振輻G _i=1~N ，及該N個量測電場相位θ _i=1~N 。

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，該輻射場型量測設備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，該輻射場型量測設備是採用直接遠場(Direct Far Field,DFF)技術去量測該封裝天線。

較佳地，該輻射場型量測設備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)、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輻與該量測電場相位，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。

(2)、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。

(3)、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輻與相位的功能，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

20:輻射場型量測設備

30:運算單元

3:探針

4:場型量測單元

01:取樣點

第1圖是天線電場傳播的一示意圖。

第2圖是多個向量關係的一示意圖。

第3圖是本發明的較佳實施例的一示意圖。

第4圖是一封裝天線的一示意圖。

第5圖是球座標取樣點分佈的一示意圖。

第6圖是XZ平面的一波束成型輻射場型圖。

第7圖是YZ平面的一波束成型輻射場型圖。

第8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，本發明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輻射場型量測設備20及一運算單元30。

該第一較佳實施例應用於一封裝天線2，該封裝天線2包括N個子天線21，參數N是大於3以上的整數，依序編號為第1~N號子天線21，該第一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及輻射場型。

該輻射場型量測設備20量測出一第j取樣點處該第1~N號子天線21所依序對應產生的N個量測電場振輻G _i=1~N ，及N個量測電場相位θ _i=1~N ，j為任意正整數。該輻射場型量測設備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。

參閱圖3及圖4，該運算單元30將每一個該量測電場相位θ _i 與一輸入相移△θ _i 相加後得到一更新相位θ' _i ，並且，將每一個該量測電場振輻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 ，且計算該封裝天線2的一評估陣列增益G _array ，如下：G' _i =S _i ×G _i ，θ' _i =θ _i +△θ _i ，

。

該輻射場型量測設備20包括相電連接的一探針3及一場型量測單元4。該探針3依序碰觸量測該等子天線21，並量測得到該N個量測電場振輻G _i=1~N ，及該N個量測電場相位θ _i=1~N 。

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5，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，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。

參閱圖6，上圖(a)是個別的對每一個子天線21(標示Ant1、Ant2、Ant3、Ant4)量測得到的量測電場振輻G ₁ 、G ₂ 、G ₃ 、G ₄ 對應不同位 置的取樣點01的座標位置變化而得到的曲線圖，橫軸是與Z軸夾角從-180度到180度的角度變化，該等第1~K取樣點01是分佈在如圖5所示的XZ平面，圖(a)橫軸表示的就是取樣點與球座標原點的連線與Z軸的夾角；中圖(b)是量測電場相位θ ₁、θ ₂、θ ₃、θ ₄對應不同位置的取樣點01的座標位置變化而得到的曲線圖，橫軸同樣是與Z軸夾角從-180度到180度的角度變化，更進一步說明，對第j取樣點01的位置會量測到該量測電場振輻G _i 與相對應的該量測電場相位θ _i ，且由於j是從1~K的變數，所以若K=360，則第1~360取樣點01就可以平均分散在XZ平面，對應圖5理解就是該360個取樣點01都是位於XZ切面的一個正圓形的圓周上，且相鄰兩取樣點01彼此間隔1度(對應球座標)，而需補充說明的是圖6是以直角座標顯示，而常用於天線輻射場型顯示的極坐標(polar plot)可對應轉換為如圖6、7顯示的直角座標；下圖(c)是該運算單元利用前述算式將第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。

參閱圖7，與圖6近似，差異在於該等第1~K取樣點01是分佈在如圖5所示的YZ平面，對應圖5理解就是該360個取樣點01都是位於XZ切面的一個正圓形的圓周上。

另外需補充說明的是，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，還可以採用如圖8所示的直接遠場(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)、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輻與該量測電場相位，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。

(2)、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。

(3)、節省成本，現有的OTA天線量測設備已具有量測該子天線21的該量測電場振輻與相位的功能，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:輻射場型量測設備

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 (10)

1. 一種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：一輻射場型量測設備，量測出一第j取樣點處該第1~N號子天線所依序對應產生的N個量測電場振輻G _i=1~N ，及N個量測電場相位θ _i=1~N ，j為任意正整數；及一運算單元，將每一個該量測電場相位θ _i 與一輸入相移△θ _i 相加後得到一更新相位θ' _i ，並且，將每一個該量測電場振輻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 ，且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項之封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該輻射場型量測設備包括： 相電連接的一探針及一場型量測單元，該探針依序碰觸量測該等子天線，並量測得到該N個量測電場振輻G_i=1~N，及該N個量測電場相位θ _i=1~N。
3. 根據申請專利範圍第1項之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：

   
4. 根據申請專利範圍第3項之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：

   
5. 根據申請專利範圍第3項之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：

   
6. 根據申請專利範圍第1項之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。
7. 根據申請專利範圍第6項之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。
8. 根據申請專利範圍第1項之封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該輻射場型量測設備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。
9. 根據申請專利範圍第1項之封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該輻射場型量測設備是採用直接遠場(Direct Far Field,DFF)技術去量測該封裝天線。
10. 根據申請專利範圍第1項之封裝天線相控陣列輻射場型評估系統，其中，該輻射場型量測設備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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