TWI841067B - 射頻單元的校正暨群測系統及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明為一種射頻單元的校正暨群測系統及其方法，包括控制裝置、訊號源裝置、測試平台及量測裝置，測試平台與量測裝置之間進行M次量測，每一次量測時，訊號源裝置所提供的微波訊號源，由測試平台轉換成具備N個隨機振幅與相位之隨機微波訊號，且測試平台所放置的N個射頻單元分別被激發而輸出各隨機微波訊號，各隨機微波訊號在被量測的路徑上疊加而成量測訊號。量測裝置接收M次量測的量測訊號，且分別轉換成M個量測資訊。控制裝置對M個量測資訊進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取N個射頻單元在特定狀態下的校正資訊，藉此校正資訊來校正射頻單元。
Description
本發明有關於校正系統及方法，尤其是有關於射頻單元的被量測取得的量測資訊，在缺乏相位資訊且僅具備功率或振幅資訊的極端情境下，能夠獲取射頻單元在特定激發狀態下的校正資訊之射頻單元校正暨群測系統及其方法。
高頻無線通訊需要使用陣列天線來提高增益，藉以補償電磁傳播之損耗，此主動天線單元係由天線與射頻收發模組建構而成，藉由主動射頻收發模組、調整其輸出之振幅與相位來激發天線來產生輻射波束。由於量測的天線輻射場形圖與模擬的天線輻射場形圖的不準確，可能來自於天線、主動射頻模組、機構製造上的誤差與失能，使陣列天線之操作產生失誤與落差，因此，為了獲得良好的天線輻射場形圖，我們需要驗測天線與射頻模組之運作正常及校準天線輻射與射頻模組輸出產生的誤差。此外，量測的天線輻射場形圖與模擬的天線輻射場形圖的不準確的問題，也可能來自於天線元件(包括有射頻收發與輻射模組，例如以微帶線製作的毫米波天線)自身製造缺陷所產生的問題，使得天線元件的可能發生失效(fail)或故障(malfunction)，尤其是其主動收發模組的故障，而使得量測的天線輻射場形圖發生不準確的問題。這樣的問題，尤其是會發生在天線元件為陣列天線的情況，陣列天線是由多個子陣列天線單元所組
成，例如：封裝天線(Antenna-in-Package,AiP)內可能設有數量眾多的天線單元，任何一個天線單元的失效或故障，都會使得量測的天線輻射場形圖發生不準確的問題。
又，相位陣列天線的輻射波束是藉由波束成形電路(BFN，beamforming network)產生，其中包括主動射頻收發元件和相位移轉器等用以激發天線陣列，波束成形電路應用的頻段有越來越高的趨勢，因此波束成形電路容易招致相位誤差導致波束缺損，以致需要繁複程序的方法校正相位陣列天線，此天線校正系調整射頻收發模組的輸出振幅與相位來達成。因此，發明人先前提出申請的臺灣發明專利第I739181B號(發明名稱：相位陣列天線校正方法，以下稱：專利前案)，利用遠場輻射資料和天線單元的激發資料滿足傅立葉轉換關係式，因此傅立葉轉換(Discrete Fourier Transformation)可用以校正天線陣列，使得共極化(co-polarization)遠場的輻射源在瞄準線(boresight)方向具有等相位與振幅，藉此數位相位移轉器將該誤差校正相位與振幅儲存作為掃描波束的參考值。
但是，專利前案是以垂直正交訊號並以解傅立葉轉換矩陣式為實施例進行天線振幅與相位誤差的校正，此種方式的計算方程式複雜，尤其是量測訊號非為垂直正交，所需要之設備必須要同時量測天線輻射電磁場之功率(即為振幅資訊)與相位，其設備(如向量網路分析儀等)相當昂貴，成為生產線之重大負擔。故需要能夠以較簡單的求解方式得到天線的相位誤差資訊以及振幅資訊，用以作為訊號的校驗前的準備校準資訊，並可以檢查出哪一個天線元件的天線單元有失效(fail)或故障(malfunction)，建立波束成形激發振幅與相位表。
有鑑於先前技術的實現成本問題，本發明的目的乃利用不同隨機相位與振幅訊號來激發各天線元件輻射電磁波，並以功率量測儀進行量測輻射功率與分析，並且將量測結果進行迭代收斂，獲取天線元件的振幅資訊與相位差資訊，進而可以作為後續天線校準之用。當量測資訊同時具備振幅與相位差資訊之校正求解、或當量測訊號為非垂直正交之關係時之快速校正，僅使用功率或振幅資訊及缺乏相位資訊之極端量測情境，亦適用於本發明。本發明同時適用於群體天線封裝模組或群體射頻模組的測試。
根據本發明的目的，提供一種射頻單元校正暨群測系統，此系統包括控制裝置、訊號源裝置、測試平台及量測裝置，其中控制裝置連接訊號源裝置、測試平台及量測裝置，控制裝置提供控制資訊到訊號源裝置及測試平台，測試平台連接訊號源裝置及量測裝置，訊號源裝置提供微波訊號源到測試平台，測試平台被提供用來放置N個射頻單元，測試平台與量測裝置進行M次量測，每一次量測N個射頻單元。測試平台轉換微波訊號源為N個隨機微波訊號，測試平台將N個隨機微波訊號傳送給N個射頻單元與控制裝置，N個射頻單元的其中之一個分別輸出輸出N個隨機微波訊號的其中之一個，所有被輸出N個隨機微波訊號在被量測的路徑中形成的一組整合量測訊號，量測裝置接收M次量測的量測訊號，而分別產生M個量測資訊，量測裝置將所有的量測資訊傳送到控制裝置，控制裝置根據M次量測的M個量測資訊與M次量測中的M×N個隨機微波訊號進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取N個射頻單元在特定狀態下的校正資訊，作為射頻單元校正的參考基準。
其中，射頻單元為天線元件，測試平台包括訊號調製裝置、隨機控制裝置、射頻控制裝置及N個耦合器。控制裝置連接訊號調製裝置、隨機控制
裝置。控制裝置發出調製資訊給訊號調製裝置，以及控制裝置發出隨機控制訊號給隨機控制裝置。訊號源裝置連接射頻控制裝置，訊號源裝置根據控制裝置發出的訊號源資訊輸出對應的微波訊號源到射頻控制裝置。隨機控制裝置連接射頻控制裝置，且隨機控制裝置依據隨機控制訊號產生隨機相位與振幅資訊到射頻控制裝置。射頻控制裝置根據微波訊號源及隨機相位與振幅資訊產生不同相位與振幅的N射頻訊號，訊號調製裝置根據調製資訊發出N個微波調變訊號，N個耦合器連接射頻控制裝置與訊號調製裝置，V個耦合器將N個射頻訊號與N個微波調變訊號分別耦合成N個隨機微波訊號，使得每一個隨機微波訊號都有各自不同的相位及振幅。
其中，射頻單元可為射頻晶片(RFIC)、封裝天線(Antenna in Package，AiP)或天線元件。又，天線元件可為偶極天線(Dipole Antenna)、單極天線(Monopole Antenna)、環形天線(Loop Antenna)、倒F型天線(PIFA)、貼片天線(Patch Antenna)、微帶天線、陣列天線(Array antennas)等。再者，封裝天線由射頻晶片(RFIC)與天線元件所組合而成。
其中，當射頻單元為天線元件或者為封裝天線，天線元件的激發係數(如：振幅、相位及量測方位)與天線元件的輻射關係如下表示：
其中，
為第m次的第n個射頻單元的該n個隨機微波訊號，A n 為N個射頻單元中的第n個射頻單元激發係數的振幅，φ n 為第n個射頻單元激發係數的相位，
為量測方向與距離。
為射頻單元在初始狀態下((A n ,φ n )=(1,0))之輻射電磁場。
其中，當射頻單元為射頻晶片(RFIC)，而單獨進行測試時，此時不存在天線元件，因此，射頻單元之在量測路徑上所組成的量測資訊，則由射頻電路之功率結合器來取得，此時上述之輻射電磁場則由電路中之電流或電壓量來取代，便不會改變此公式的表示形式。
其中，當各射頻單元為封裝天線，其中天線元件之誤差或失能時，其變化出現於
之變化中，由下列括號中之表示式取代：
其中
為該天線元件所屬射頻路徑中之誤差，或者當射頻單元封裝天線則進一步包括主動射頻模組與天線元件的傳輸線等所有可能之來源，皆統一歸納於此參數中。在校正程序中，我們的目標為找尋
，因為對於相同天線元件而言，
在天線元件正前方之數值相同，而在非正前方方向，不同天線元件僅會產生一個相位差，此相位差內含於
中，不影響校正程序。以天線元件的校正而言，此相位差可以由激發權重來補足，使得天線在量測方向獲得最大值。亦即在量測方位確定後，在校正程序目標在於取得
，其後可以調整天線元件之激發係數(A n ,φ n )來取得最佳匹配的天線增益。若
之項目數值低於正常運作數值時，可以判斷該路徑之元件其功能失效。在執行校正程序上，我們首先擇定一個量測方位
，在此量測方位上，藉由改變(A n ,φ n )來進行M次的量測，每一次量測時其參數變成(A n ,φ n )→(A mn ,φ mn )。因此，上述可以表示成：g m =|f m |=[R mn ][e n ]
其中，f m 為M次量測中的第m次的量測資訊，g m 為f m 之振幅量測資訊，R mn 為第m次的N個射頻單元中的第n個天線元件的隨機微波訊號，隨機微波訊號表示為
，[R mn ]為隨機微波訊號所組成之向量矩陣，e n 為第n個天線元件之輻射特性
，e n 與天線激發係數無關，僅與量測方位(即為校正方位)、天線元件輻射及天線的射頻路徑內之誤差有關，或者當射頻單元封裝天線則進一步與主動射頻模組有關。各量測資訊被控制裝置取得後，可以據以判定主動天線特性，或進行補償來獲得校正最高天線增益。當天線最高增益作為參考情境下，可以校正每一個主動射頻模組的不同輸出狀態的參數值。利用M次(M>N)量測，可以取得多個滿足g m =|f m |=[R mn ][e n ]的量測資訊M次量測資訊具備N個秩(Ranks)時，M次量測的M個求解將會收斂出單一個來滿足所有量測資訊，因此可知M次的量測資訊所要的求解，將會收斂出天線元件的遠場輻射場型的振幅資訊與相位差資訊。
其中，利用多次迭代法求解來取得收斂之結果，可以使用連續投影法(Successive Projection Method,SPM)，針對每次的量測資訊以垂直正交投影的方式來取得最短誤差距離之解，亦即使用前一次量測垂直投影所得之解，作為下一次量測資訊之求解的初始激發係數值，進行下一次之投影求解。每次求解結果的迭代演算公式，如下列所示，下列的公式中使用第m次量測資訊來進行第u次投影求解：
其中，
為[e n ]的向量表示
，u為迭代的次數，
為前次迭代值，g m 為f m 之振幅量測資訊，
為[R mn ]的向量表示式，
為
的共軛向量。此迭代順序隨著不同次之量測資訊，依序而進行。當使用完各量測資訊後，可以循環使用前面之量測資訊，因為在迭代過程，其誤差會逐步收斂至最小值，此最小值
為滿足所有量測資訊的最佳值，若該M組量測資訊具備N秩(rank)
時，則會收斂至單一組解，若該M組量測資訊之秩小於N時，則會收斂至小誤差之解。其中，f m 為M次量測中的第m次的量測資訊，其形式可以是量測之功率，或者是包括功率與相位之複數電磁場值，依據不同資訊提供來產生不同的投影與收斂速度。
其中，每次迭代演算完成後以下列的成本函數cost(u)，計算出成本值作為收斂判別之依據，成本函數以cost(u)表示如下：
並且依照成本值計算出成本差值△cost=cost(u+1)-cost(u)，並且以成本差值及計算成本差值或成本值的次數做為收斂條件。
收斂條件的定義包括：
1.成本差值△cost小於或等於預設成本差值ε 1即表示完成收斂；
2.當計算成本差值△cost大於預設成本差值ε 1，且第一計算次數u大於第一預設次數值I 1，且當次計算的成本值cost小於預設成本值ε 2，也視為完成收斂。
3.當計算成本差值△cost大於預設成本差值ε 1，且第一計算次數u大於第一預設次數值I 1，且當次計算的成本值cost大於預設成本值ε 2，且第二計算次數U大於第二預設次數值I 2，也視為完成收斂。
4.當第一計算次數u小於第一預設次數值I 1，或者當第二計算次數U小於第二預設次數值I 2，都會重新給予新的
，並且重新計算成本值與成本差值。
其中，N為正整數，M大於等於3倍的N，確保此M個量測之秩可以盡可能接近N。
據上所述，本發明可以在不需要任何相位資訊的前提下，可以透過量測資訊與隨機微波訊號進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取各個射頻單元的振幅資訊與相位差資訊，用以作為訊號的校驗前的準備校準資訊，並可以檢查出哪一個天線元件的射頻單元或單獨射頻單元有失效(fail)或故障(malfunction)，除此之外，不需要相位資訊即意味著，本發明僅需要單一個訊號源裝置就可以對一個以上的射頻單元進行量測，降低量測的成本。
1:控制裝置
2:訊號源裝置
3:測試平台
30:訊號調製裝置
32:隨機控制裝置
34:射頻控制裝置
340:功率分配器
342:數位相移器
36:耦合器
4:量測裝置
5:射頻單元
S101~S105:步驟流程
S201~S208:步驟流程
圖1是本發明的系統架構示意圖。
圖2是本發明的測試平台示意圖。
圖3是本發明的方法流程示意圖。
圖4是本發明的量測收斂流程示意圖。
圖5是本發明的第一實施例的量測與模擬的求解結果比較示意圖。
圖6是本發明的第一實施例的迭代收斂示意圖。
圖7是本發明的第一實施例的量測與模擬的振幅資訊比較示意圖。
圖8是本發明的第一實施例的量測與模擬的相位差資訊。
圖9是本發明的第二實施例的量測與模擬的求解結果比較示意圖。
圖10是本發明的第二實施例的迭代收斂示意圖。
圖11是本發明的第二實施例的量測與模擬的振幅資訊。
圖12是本發明的第二實施例的量測與模擬的相位差資訊。
圖13是本發明的第三實施例的量測與模擬的求解結果比較示意圖。
圖14是本發明的第三實施例的迭代收斂示意圖。
圖15是本發明的第三實施例的量測與模擬的振幅資訊。
圖16是本發明的第三實施例的量測與模擬的相位差資訊。
圖17是本發明的第四實施例的量測與模擬的求解結果比較示意圖。
圖18是本發明的第四實施例的迭代收斂示意圖。
圖19是本發明的第四實施例的量測與模擬的振幅資訊。
圖20是本發明的第四實施例的量測與模擬的相位差資訊。
圖21是本發明的第五實施例的量測與模擬的求解結果比較示意圖。
圖22是本發明的第五實施例的迭代收斂示意圖。
圖23是本發明的第五實施例的量測與模擬的振幅資訊。
圖24是本發明的第五實施例的量測與模擬的相位差資訊。
本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。
請參閱圖1所示，本發明為一種射頻單元校正暨群測系統，包括控制裝置1、訊號源裝置2、測試平台3及量測裝置4。其中控制裝置1連接訊號源裝置2、測試平台3及量測裝置4，控制裝置1提供控制資訊到訊號源裝置2及測試平
台3，測試平台3連接訊號源裝置2，訊號源裝置2提供微波訊號源到測試平台3，測試平台3被提供用來放置N個射頻單元5，測試平台3進行M次量測，每一次量測為測試平台3轉換微波訊號源為N個隨機微波訊號，測試平台3將N個隨機微波訊號傳送給N個射頻單元5與控制裝置1，N個射頻單元5的其中之一個分別接收N個隨機微波訊號的其中之一個，N個射頻單元5輸出各自所收的隨機微波訊號。
而每一次的測試皆是由量測裝置4接收N個射頻單元5所輸出的隨機微波訊號，此N個隨機微波訊號在被量測的環境中疊加而形成一個量測訊號，經由量測裝置4取得M次量測訊號，並據以產生M個量測資訊，量測裝置4將M個量測資訊傳送到控制裝置1根據M次量測的M個量測資訊與M次量測的N個隨機微波訊號進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取N個射頻單元5在特定激發狀態下的振幅資訊與相位差資訊，作為校正的參考基準。
在本發明中，N個射頻單元5可分別為射頻晶片(RFIC)、封裝天線(Antenna in Package，AiP)或天線元件。又，天線元件可為偶極天線(Dipole Antenna)、單極天線(Monopole Antenna)、環形天線(Loop Antenna)、倒F型天線(PIFA)、貼片天線(Patch Antenna)、微帶天線、陣列天線(Array antennas)等。再者，封裝天線由射頻晶片(RFIC)與天線元件所組合而成。
當N個射頻單元5為N個封裝天線(Antenna in Package，AiP)或N個天線元件，則N個隨機微波訊號由N個封裝天線(Antenna in Package，AiP)或N個天線元件輻射到量測環境中，並在量測環境中形成的電磁波經自然疊加而形成量測訊號。當N個射頻單元5為射頻晶片(RFIC)，並對射頻晶片(RFIC)進行群測，此時天線不存在，射頻晶片利用射頻電路經由功率合成器疊加成一個量測訊號。
在此需要特別陳明的是，本發明僅需要單一個訊號源裝置就可以對一個以上的射頻單元5進行量測，而且測試平台3不限定放置相同的射頻單元5，例如：在測試平台3上分別放置二個不同射頻晶片及五個貼片天線，而射頻晶片連接匹配的天線同樣可以被激發而輻射射頻訊號到空中，並且在量測時，將二個不同射頻晶片及五個貼片天線視為前述的N個射頻元件(甚至當作是虛擬的陣列天線)進行求解，透過各自適當的量測資訊取得，仍然可以獲得二個射頻晶片及五個貼片天線各自的振幅資訊與相位差資訊。
進一步而言，本發明乃是由相位陣列的觀念衍生，同時可以應用於多個天線元件或多個封裝天線(Multiple AiPs)的群體測試與校正，或者進行多個射頻晶片之群體測試，或者混合天線元件、天線陣列封裝模組及射頻晶片進行群體測試與校正。例如：當在進行多個天線元件或天線陣列封裝模組的測試與校正時，量測資訓為射頻儀器量測取得。當在進行多個射頻晶片的測試與校正時，則藉由射頻晶片的射頻電路進行陣列佈局與連結，利用功率結合器(Power Combiner)結合後，由射頻儀器量測取得，用以檢驗天線元件、天線封裝模組或射頻收發模組之輸出特性與可靠性。
綜上所述，本發明在缺乏相位資訊的前提下，僅需要功率資訊或振幅資訊，即可以進行射頻單元的校正之參數，不需要使用昂貴儀器來同時取得輻射場之振幅與相位差。
請參閱圖2所示，測試平台3包括訊號調製裝置30、隨機控制裝置32、射頻控制裝置34及N個耦合器36。控制裝置1連接訊號調製裝置30、隨機控制裝置32。控制裝置1發出調製資訊給訊號調製裝置30，以及控制裝置1發出隨機控制訊號給隨機控制裝置32。訊號源裝置2連接射頻控制裝置34，訊號源裝置2根據
控制裝置1發出的訊號源資訊輸出對應的微波訊號源到射頻控制裝置34。隨機控制裝置32連接射頻控制裝置34，且隨機控制裝置32依據隨機控制訊號產生隨機相位與振幅資訊到射頻控制裝置34。射頻控制裝置34根據微波訊號源、隨機相位與振幅資訊產生不同相位與振幅的N個射頻訊號，訊號調製裝置30根據調製資訊發出微波調變訊號，N個耦合器36皆連接射頻控制裝置34與訊號調製裝置30，N個耦合器36將N個射頻訊號與微波調變訊號整合成隨機微波訊號，使得每一個隨機微波訊號都有各自不同的相位及振幅。
進一步而言，射頻控制裝置34可以是射頻晶片(RFIC)，而且射頻控制裝置34包括功率分配器340及N個數位相移器342，功率分配器340將微波訊號源以相同的功率大小分配到每一個數位相移器342，N個數位相移器342連接隨機控制裝置32，而可根據隨機控制裝置32的N個隨機控制訊號產生N個隨機相位資訊，進而從各數位相移器342分別發出不同相位的N個射頻訊號。而訊號調製裝置30根據調製資訊發出N個微波調變訊號，每一個耦合器分別將N個射頻訊號的其中一個以及N個微波調變訊號的其中一個耦合成一個隨機微波訊號，使得每一個隨機微波訊號都有各自不同的相位及振幅。
在本發明中，以射頻單元為主動陣列天線為例，其中射頻單元的各激發係數(例如：振幅、相位與天線單元的位置)與輻射關係如下表示：
公式(1)中，
為各射頻單元在
位置疊加的輻射特性，
為第m次的第n個射頻單元的隨機微波訊號，A n 為N個射頻單元中的第n個射頻單元的各激發係數中的振幅，φ n 為第n個射頻單元的各激發係數中的相位，前述的激
發係數可以藉由相位移轉器、衰減器、功率放大器等主動元件調整，
為量測方向與距離。
為射頻單元在初始狀態下((A n ,φ n )=(1,0))之輻射電磁場。
在本發明中，當射頻單元為射頻晶片(RFIC)進行測試時，此時天線元件不存在，射頻晶片由主動射頻模組的電路之輸出，經由功率結合器來取得，此時上述之輻射電磁場則由電路中之電流或電壓量來取代，便不會改變此公式的表示形式。
當射頻單元具有誤差或失能時，其變化出現於
之變化中，由下列公式(2)括號中之表示式取代：
其中當射頻單元為天線元件，則公式(2)的
為天線元件所屬射頻路徑中之誤差，當射頻單元為天線元件為封裝天線則進一步包括主動射頻模組與傳輸線等所有可能之來源，統一歸納於此參數中。在校正程序中，我們的目標為找尋上述公式(2)括號中之參數
、
、
，因為對於相同天線單元型態之陣列天線而言，
在天線正前方之數值相同，而在非正前方方向，不同天線單元僅會產生一個相位差，此相位差內含於本項參數中，不影響校正程序。以天線元件的校正而言，此相位差可以由不同的激發係數以適當的權重來補足，使得天線在量測方向獲得最大值。亦即在量測方位確定後，本校正程序目標在於取得參數
、
、
，可以調整射頻單元之激發係數(A n ,φ n )來取得最佳匹配的天線增益。若參數
、
、
數值過小，而低於正常運作數值時，可以判斷對應的射頻路徑之元件其功能失效。
在執行程序上，我們首先擇定一個量測方位
，在此量測方位上，藉由改變(A n ,φ n )來進行M次的量測時，其參數變成(A n ,φ n )→(A mn ,φ mn )。因此，上述可以表示成：g m =|f m |=|[R mn ][e n ]| (3)
其中，f m 為M次量測中的第m次的量測資訊，g m 為M次的量測中的第m次的量測資訊中的振幅資訊，R mn 為第m次的第n個天線的隨機微波訊號(亦為
)，[R mn ]為其所組成之向量矩陣，e n 為N個天線中的第n個射頻與天線元件之輻射特性
，其與天線元件的激發係數無關，僅與量測方位、射頻單元輻射及該射頻路徑內之誤差有關。該量測資訊取得後，可以據以判定射頻單元內的天線特性、或進行補償來獲得校正最高天線增益、或判斷該天線所屬射頻路徑上之射頻單元之有效性及誤差。
當天線最高增益作為參考情境下，可以校正每一個射頻單元內的主動射頻模組的不同輸出狀態的參數值。利用第M次的量測資訊所要的求解，可以取得多組滿足上述公式(3)的量測資訊。當該M組量測訊號具備N秩(Ranks)時，此多組解將會收斂出單一組來滿足所有量測資訊。
又，公式(1)可以簡化成下列公式表示，其中量測距離r之因素去除後，變成波型函數，以同極化之電場分量而言，其在
方向之波形為：
其中，
是共極化方向的極化向量，A n 為隨機微波訊號的振幅，α n 為隨機微波訊號的相位，α n =△ n +φ n ，△ n 為射頻單元5的通道不匹配引起的相位誤差，而φ n 為射頻控制裝置34根據微波訊號源及隨機相位與振幅資訊中產生的相
位，而射頻控制裝置34內的數位相移器39根據隨機相位與振幅資訊產生的隨機相位。
再者，利用多次的迭代法求解來取得收斂之結果，可以使用連續投影法(Successive Projection Method，SPM)，針對每次的量測資訊以垂直正交投影的方式來取得最短誤差距離之解，亦即使用前一次量測資訊之垂直投影所得之解，作為下一次量測資訊之求解的初始激發係數值，進行下一次之投影求解。每次求解結果的迭代演算公式，如下列所示，在使用第m次量測資訊來進行第u次投影求解：
其中，
為[e n ]的向量表示
，u為迭代的次數，
為前次迭代值或初始猜測值，g m 為f m 量測資訊中的振幅，
為[R mn ]的向量表示式，
為
的共軛向量。此迭代順序隨著不同次之量測資訊，依序而進行。當使用完各量測資訊後，可以循環使用前面之量測資訊，因為在迭代過程，其誤差會逐步收斂至最小值，此最小值
為滿足所有量測資訊的最佳值。在上述之公式中，f m 為第m次的量測資訊，其形式可以是天線輻射疊加形成的功率，或者是包括功率與相位之複數電磁場值，依據不同資訊提供來產生不同的投影與收斂速度。亦即本發明僅需要功率資訊即可以進行擷取天線校正之參數，不需要使用昂貴儀器來同時取得輻射場之振幅與相位。
在本發明中，每次迭代演算完成後以下列的成本函數cost u ，計算出成本值，成本函數以cost(u)表示，公式如下：
其中cost(u)為成本函數，u為第一計算次數，並且依照成本值計算出成本差值△cost=cost(u+1)-cost(u)，並且以成本差值及計算成本差值或成本值的次數做為收斂條件。
請參閱圖3所示，本發明的射頻單元的校正暨群測方法，包括下列步驟：(S101)設置控制裝置1的測試參數，測試參數包括從控制裝置1設定測試源裝置所要輸出的微波訊號源大小、給予隨機控制裝置32的隨機相位資訊，以及要訊號調置裝置的調置規格，調置規格例如；AM、FM、PM、脈衝調變，以及BPSK、QPSK、QAM等數位調變訊號，乃至於跳頻(frequency hopping)和直接序列(direct sequence)的展頻(spread-spectrum)訊號，測試如GSM、CDMA、藍芽(Blue Tooth)等通訊時，可以使用調變訊號產生器產生所需要的調變訊號…等；(S102)測試平台3進行M次測試，測試平台在每一次測試進行下列步驟：(S1021)每一次測試該測試平台轉換該微波訊號源為該N個隨機微波訊號；(S1022)將該N個隨機微波訊號傳送給該N個射頻單元5與控制裝置1；(S1023)N個射頻單元5的其中之一個分別接收N個隨機微波訊號的其中之一個；(S1024)N個射頻單元5發射各自所收的隨機微波訊號；(S103)量測裝置4接收從測試平台3的N個射頻單元5在M次測試所發射的隨機微波訊號，並產生M次量測的M個量測資訊，(S104)量測裝置4將M次量測的M個量測資訊傳送到控制裝置1；
(S105)控制裝置根據M次量測的M個量測資訊與M次量測的N個隨機微波訊號進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取N個射頻單元的該振幅資訊與該相位差資訊。
在本發明中，請參閱圖4所示，求解結果進行迭代及收斂的步驟，包括：(S201)依照求解結果以成本函數計算出成本值cost；(S202)計算相鄰兩次求解結果的成本值cost的成本差值△cost；(S203)判斷成本差值△cost是否小於或等於預設成本差值ε 1？若是進行步驟(S204)，否則進行步驟(S205)，預設成本差值ε 1為控制裝置1設定的測試參數的一部份；(S204)完成收斂；(S205)判斷第一計算次數u是否小於第一預設次數值I 1？若是進行步驟(S206)，否則進行步驟(S207)，其中第一計算次數u為累計成本差值的計算次數，第一預設次數值為控制裝置1設定的測試參數的一部份，且第一預設次數值為正整數；(S206)重新給予新的初始猜測值
，再進行步驟(S201)；(S207)成本值cost是否小於預設成本值ε 2？若是進行步驟(S204)，否則進行步驟(S208)，預設成本值ε 2為控制裝置1設定的測試參數的一部份，且預設成本值ε 2為正數；(S208)判斷第二計算次數U是否大於第二預設次數值I 2？若是進行步驟(S204)，否則進行步驟(S206)，其中第二計算次數U為累計重新給予新的初始猜測值
的次數，第二預設次數值U為控制裝置設定的測試參數的一部份，且第二預設次數值為正整數。
據上所述，收斂條件定義包括：
1.成本差值△cost小於或等於預設成本差值ε 1即表示完成收斂；
2.當計算成本差值△cost大於預設成本差值ε 1，且第一計算次數u大於第一預設次數值I 1，且當次計算的成本值cost小於預設成本值ε 2，也視為完成收斂。
3.當計算成本差值△cost大於預設成本差值ε 1，且第一計算次數u大於第一預設次數值I 1，且當次計算的成本值cost大於預設成本值ε 2，且第二計算次數U大於第二預設次數值I 2，也視為完成收斂。
4.當第一計算次數u小於第一預設次數值I 1，或者當第二計算次數U小於第二預設次數值I 2，都會重新給予新的
，並且重新計算成本值與成本差值。
在本發明中，M大於N，較佳者為M大於等於3倍的N，可以確保此M個量測資訊之秩盡量大，得到較佳的求解結果。
為了能夠更進一步了解本發明的求解結果、迭代收斂情形、振幅資訊與相位差資訊，以下乃舉出五個實施例進行說明：
第一實施例，射頻單元5為32個，量測次數為96次，以及使用3位元(bit)的數位相移器，請參閱圖5~圖8，圖5是各次模擬與量測的求解結果，以振幅大小表示，圖6是計算成本值及迭代次數，可以看到大約在第20次以後完成收斂，圖7是各個射頻單元5的模擬與量測的振幅資訊，圖8是各個射頻單元5的模擬與量測的相位差資訊，從圖7及圖8可以觀察到量測的振幅資訊與模擬的振幅資訊，以及量測的相位差資訊與模擬測試相位差資訊趨勢趨於一致，表示本次的振幅資訊與相位差資訊是正確的結果。
第二實施例，射頻單元5為32個，量測次數為96次，以及使用6位元(bit)的數位相移器，請參閱圖9~圖12，圖9是各次模擬與量測的求解結果，以振幅大小表示，圖10是計算成本值及迭代次數，可以看到大約在第30次以後完成收斂，圖11是各個射頻單元5的模擬與量測的振幅資訊，圖12是各個射頻單元5的模擬與量測的相位差資訊，從圖11及圖12可以觀察到量測的振幅資訊與模擬的振幅資訊，以及量測的相位差資訊與模擬的相位差資訊趨勢趨於一致，表示本次的振幅資訊與相位差資訊是正確的結果。
第三實施例，射頻單元5為32個，量測次數為96次，以及使用6位元(bit)的數位相移器，量測裝置4的相位誤差角度為3度，沒有其他雜訊，請參閱圖13~圖16，圖13是各次模擬與量測的求解結果，以振幅大小表示，圖14是計算成本值及迭代次數，可以看到大約在第35次以後完成收斂，圖15是各個射頻單元5的模擬與量測的振幅資訊，圖16是各個射頻單元5的模擬與量測的相位差資訊，從圖15及圖16可以觀察到量測的大部分的振幅資訊與模擬的振幅資訊，以及量測的相位差資訊與模擬的相位差資訊趨勢趨於一致，其中第二個射頻單元5的振幅趨近於零，而且相位差資訊與模擬的相位差資訊不一致，表示第二個射頻單元5有損壞。
第四實施例，射頻單元5為100個，量測次數為300次，以及使用3位元(bit)的數位相移器，量測裝置4的相位誤差角度為3度，沒有其他雜訊，請參閱圖17~圖20，圖17是各次模擬與量測的求解結果，以振幅大小表示，圖18是計算成本值及迭代次數，可以看到大約在第30次以後完成收斂，圖19是各個射頻單元5的模擬與量測的振幅資訊，圖20是各個射頻單元5的模擬與量測的相位差資訊，從圖19及圖20可以觀察到量測的大部分的振幅資訊與模擬的振幅資訊，以及
量測的相位差資訊與模擬的相位差資訊趨勢趨於一致，其中第七十個射頻單元5的振幅趨近於零，而且相位差資訊與模擬的相位差資訊一致，表示第七十個射頻單元5有損壞。
第五實施例，射頻單元5為4個，量測次數為12次，以及使用6位元(bit)的數位相移器，量測裝置4的相位誤差角度為3度，沒有其他雜訊，請參閱圖21~圖24，圖21是各次模擬與量測的求解結果，以振幅大小表示，圖22是計算成本值及迭代次數，可以看到大約在第4次以後完成收斂，圖23是各個射頻單元5的模擬與量測的振幅資訊，圖24是各個射頻單元5的模擬與量測的相位差資訊，從圖23及圖24可以觀察到量測的振幅資訊與模擬的振幅資訊，以及量測的相位差資訊與模擬的相位差資訊趨勢趨於一致，表示本次的振幅資訊與相位差資訊是正確的結果。
據上所述，本發明可以在不需要任何相位資訊的前提下，可以透過量測資訊與隨機微波訊號進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取各個射頻單元5的振幅資訊與相位差資訊，用以作為訊號的校驗前的準備校準資訊。本發明可以量測的射頻單元5的數量並沒有限制，而且本發明可以從量測的振幅資訊或者相位差資訊，分別與原始測試振幅資訊或者原始測試相位差資訊進行比較，而篩選出可能損壞的射頻單元5。除此之外，不需要相位資訊即意味著，本發明僅需要單一個訊號源裝置2就可以對多個天線元件、天線陣列元件或者封裝天線(Antenna-in-Package,AiP)進行量測，降低量測的成本。
以上所述，僅為舉例說明本發明的較佳實施方式，並非以此限定實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單置換及等效變化，皆屬本發明的專利申請範疇。
1:控制裝置1
2:訊號源裝置2
3:測試平台3
4:量測裝置4
5:射頻單元
Claims (18)
- 一種射頻單元的校正暨群測系統，包括：一控制裝置；一訊號源裝置，該訊號源裝置連接該控制裝置，該訊號源裝置根據該控制裝置所發出的一訊號源資訊輸出一微波訊號源；一測試平台，該測試平台連接該控制裝置及該訊號源裝置，該測試平台被提供用來放置N個射頻單元，該測試平台對該N個射頻單元進行M次激發，每一次激發，該測試平台皆會轉換該微波訊號源為N個隨機微波訊號，該N個射頻單元的其中之一個分別輸出N個隨機微波訊號的其中之一個，並疊加而形成的一量測訊號；及一量測裝置，該量測裝置連接控制裝置，該量測裝置接收M次的該量測訊號，而分別產生M個量測資訊，該量測裝置將該M個量測資訊傳送到該控制裝置；該控制裝置根據該M次量測的M個該量測資訊與該M次量測的N個該隨機微波訊號進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取該N個射頻單元的一振幅資訊與一相位差資訊，其中N及M為正整數。
- 如請求項1所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該測試平台包括：一訊號調製裝置，該訊號調製裝置連接該控制裝置，該訊號調製裝置接收該控制裝置發出的一調製資訊，該訊號調製裝置根據該調製資訊發出N個微波調變訊號；一隨機控制裝置，該隨機控制裝置連接該控制裝置，該隨機控制裝置依據該控制裝置發出的一隨機控制訊號產生一隨機相位與振幅資訊； 一射頻控制裝置，該射頻控制裝置連接該訊號源裝置及該隨機控制裝置，該射頻控制裝置接收該訊號源裝置發出的該微波訊號源，以及接收該隨機相位與振幅資訊，該射頻控制裝置根據該微波訊號源及該隨機相位與振幅資訊產生不同相位與振幅的N個射頻訊號；及N個耦合器，該N個耦合器連接該射頻控制裝置與該訊號調製裝置，該N個耦合器將不同相位與振幅的該N個射頻訊號與該N個微波調變訊號分別整合成該N個隨機微波訊號，使得每一個該隨機微波訊號都有各自不同的相位及振幅。
- 如請求項1所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中當該N個射頻單元為天線元件或者封裝天線時，該量測裝置所產生的每一該量測資訊以下列公式表示：g m =f m =[R mn ][e n ]；其中，f m 為M次的量測中的第m次的量測資訊，g m 為M次的量測中的第m次的量測資訊中的振幅資訊，R mn 為第m次的第n個射頻單元的隨機微波訊號，[R mn ]為其所組成之向量矩陣，e n 為該N個射頻單元中的第n個射頻單元之輻射特性，e n 與該N個射頻單元的激發係數無關，僅與量測方位、輻射及射頻路徑內之誤差有關。
- 如請求項3所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該量測裝置所量測到的每一個該量測資訊中各該射頻單元的複數個激發係數與各該射頻單元的輻射關係如下表示：
為各該射頻單元在
位置疊加的輻射特性，
為第m次的第n個射頻單元的該n個隨機微波訊號，A n 為第n個該射頻單元的該複數個激發係數中的振幅，φ n 為第n個該射頻單元該複數個激發係數中的相位，
為量測方向與距離，
為該射頻單元在初始狀態下((A n ,φ n )=(1,0))之輻射電磁場；該射頻單元具有誤差或失能時，該射頻單元的變化出現於
之變化中，由下列括號中之表示式取代：
為該射頻單元所屬射頻路徑中之誤差，藉由改變(A n ,φ n )來進行M次的量測，每一次量測時其參數變成(A n ,φ n )→(A mn ,φ mn )。
- 如請求項4所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該控制單元利用一迭代演算法及預先定義的收斂條件得到該求解結果，在該迭代演算法中使用連續投影法，針對每次的該量測資訊以垂直正交投影的方式來取得最短誤差距離之解，亦即使用前一次量測的垂直投影所得之解，作為下一次該量測資訊之求解的初始激發係數值，進行下一次之投影求解，每一次該求解結果的迭代演算公式，每次該求解結果的迭代演算公式，如下列所示，且下列的公式中使用第m次量測資訊來進行第u次投影求解：
為[e n ]的向量表示
，u為迭代的次數，
為前次迭代值或初始猜測值，
為[R mn ]的向量表示式，
為
的共軛向量。此迭代順序隨著不同次之量測資訊，依序而進行。
- 如請求項5所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該控制單元在每一該迭代演算完成後，以一成本函數計算出一成本值，該成本函數公式如下：
- 如請求項6所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該收斂條件定義為該成本差值小於或等於一預設成本差值即表示完成收斂。
- 如請求項7所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該收斂條件進一步定義當該成本差值大於該預設成本差值，且該第一計算次數大於一第一預設次數值，且當次計算的該成本值小於一預設成本值，也視為完成收斂。
- 如請求項8所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該收斂條件還進一步定義當該成本差值大於該預設成本差值，且該第一計算次數大於該第一預設次數值，且當次計算的該成本值大於該預設成本值，且一第二計算次數大於一第二預設次數值，也視為完成收斂；其中該第二計算次數為累計重新給予新的初始猜測值的次數，且該第二預設次數值為正整數。
- 如請求項9所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中該收斂條件尚進一步定義當該第一計算次數小於該第一預設次數值，或者當該第二計算次數小於該第二預設次數值，都會重新給予新的初始猜測值，並且重新計算該 成本值與該成本差值，並且在重新判斷是否符合請求項6~8的任一項的該收斂條件。
- 如請求項1所述的射頻單元的校正暨群測系統，其中M大於等於N。
- 一種射頻單元的校正暨群測方法，應用在如請求項1所述的校正暨群測系統，該方法包括：設置該控制裝置的一測試參數，而使得該控制裝置發出該訊號源資訊；訊號源裝置根據該訊號源資訊輸出該微波訊號源；該測試平台進行M次激發，該測試平台在每一次的激發進行下列步驟：轉換該微波訊號源為該N個隨機微波訊號；將該N個隨機微波訊號傳送給該N個射頻單元與該控制裝置；該N個射頻單元的其中之一個分別接收該N個隨機微波訊號的其中之一個；該N個射頻單元激發輻射各自所收的該隨機微波訊號，該N個隨機微波訊號疊加而形成一個量測訊號；該量測裝置接收M次激發形成的該量測訊號，並根據M次該量測訊號產生M個量測資訊；該量測裝置將M次量測的該M個量測資訊傳送到該控制裝置；該控制裝置根據M次量測的該M個量測資訊與M次量測的該M×N個隨機微波訊號進行訊號求解，並且對所有的求解結果進行迭代及收斂演算，而獲取該N個射頻單元的該振幅資訊與該相位差資訊。
- 如請求項12所述的射頻單元的校正暨群測方法，其中當射頻單元為天線元件或者封裝天線時，該量測裝置所產生的每一該量測資訊以下列公式表示：g m =f m =[R mn ][e n ]；其中，f m 為M次量測的第m次的量測資訊，g m 為M次的量測中的第m次的量測資訊中的振幅資訊，R mn 為第m次的該N個射頻單元的第n個天線的該n個隨機微波訊號，[R mn ]為其所組成之向量矩陣，e n 為第n個射頻單元之輻射特性，e n 與該N個射頻單元的激發係數無關，僅與該射頻單元的量測方位、輻射及射頻路徑內之誤差有關。
- 如請求項13所述的射頻單元的校正暨群測方法，其中該量測裝置所產生的每一個該量測資訊中各該射頻單元的複數個激發係數與各該射頻單元的輻射關係如下表示：
為各該射頻單元在
位置疊加的輻射特性，
為第m次的該N個射頻單元的第n個射頻單元的隨機微波訊號，A n 為該N個射頻單元的第n個該射頻單元的該複數個激發係數中的振幅，φ n 為第n個該射頻單元該複數個激發係數中的相位，
為量測方向與距離，
為該射頻單元在初始狀態下((A n ,φ n )=(1,0))之輻射電磁場；該射頻單元具有誤差或失能時，該射頻單元的變化出現於
之變化中，由下列括號中之表示式取代：
為該射頻單元所屬射頻路徑中之誤差，藉由改變(A n ,φ n )來進行M次的量測，每一次量測時其參數變成(A n ,φ n )→(A mn ,φ mn )。
- 如請求項14所述的射頻單元的校正暨群測方法，其中該控制單元利用一迭代演算法及預先定義的收斂條件得到該求解結果，在該迭代演算法中使用連續投影法，針對每次的該量測資訊以垂直正交投影的方式來取得最短誤差距離之解，亦即使用前一次量測的垂直投影所得之解，作為下一次該量測資訊之求解的初始激發係數值，進行下一次之投影求解，每一次該求解結果的迭代演算公式，每次該求解結果的迭代演算公式，如下列所示，且下列的公式中使用第m次量測資訊來進行第u次投影求解：
為[e n ]的向量表示
，u為迭代的次數，
為前次迭代值或初始猜測值，
為[R mn ]的向量表示式，
為
的共軛向量，此迭代順序隨著不同次之量測資訊，依序而進行。
- 如請求項15所述的射頻單元的校正暨群測方法，其中該控制單元依照該求解結果進行迭代與收斂的步驟，包括：A.利用該求解結果以一成本函數計算出一成本值；B.計算相鄰兩次該求解結果的該成本值的一成本差值；C.判斷該成本差值是否小於或等於一預設成本差值，其中該預設成本差值為該控制裝置設定的該測試參數的一部份；D.當該成本差值小於或等於預設成本差值，則表示完成收斂。
- 如請求項16所述的射頻單元的校正暨群測方法，其中當該成本差值大於該預設成本差值，則進行下列步驟： E.判斷一第一計算次數是否小於一第一預設次數值，其中該第一計算次數為累計該成本差值的次數，該第一預設次數值為該控制裝置設定的該測試參數的一部份，且該第一預設次數值為正整數；F.當該第一計算次數小於該第一預設次數值，則重新給予新的初始猜測值，再依照步驟A及後續步驟進行處理；G.當該第一計算次數大於該第一預設次數值，則再判斷當次計算的該成本值是否小於一預設成本值，該預設成本值為該控制裝置設定的該測試參數的一部份，且該預設成本值為正數；H.當該第一計算次數大於該第一預設次數值，且當次計算的該成本值小於一預設成本值，則視為收斂完成；I.當該第一計算次數大於該第一預設次數值，且當該成本值大於該預設成本值，再判斷一第二計算次數是否大於第二預設次數值，其中該第二計算次數為累計重新給予新的初始猜測值的次數，該第二預設次數值為該控制裝置設定的該測試參數的一部份，且該第二預設次數值為正整數；J.當該第二計算次數大於該第二預設次數值，則視為收斂完成；K.當該第二計算次數小於該第二預設次數，則重新給予新的初始猜測值，再依照步驟A及後續步驟進行處理。
- 如請求項17所述的射頻單元的校正暨群測方法，其中該控制單元在每一該迭代演算完成後，以一成本函數計算出一成本值表示，該成本函數公式如下：
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