TWI847639B

TWI847639B - 基於近場到遠場轉換的天線場型的測量裝置和測量方法

Info

Publication number: TWI847639B
Application number: TW112112054A
Authority: TW
Inventors: 廖昌倫; 林宥樺; 林健維; 游博丞; 楊成發; 宋德賢; 廖文照; 侯元昌; 黃存健
Original assignee: 中華電信股份有限公司
Priority date: 2023-03-29
Filing date: 2023-03-29
Publication date: 2024-07-01
Also published as: TW202438906A; US12270846B2; US20240329108A1

Abstract

提供一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量裝置和測量方法。測量裝置包含探測天線、參考天線以及控制系統。探測天線測量由待測天線輻射的電場以取得電場資訊。參考天線測量電場以取得參考相位。控制系統耦接待測天線、探測天線和參考天線，其中控制系統對參考天線應用近場聚焦以將參考天線的焦點配置在待測天線上，其中控制系統根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。

Description

基於近場到遠場轉換的天線場型的測量裝置和測量方法

本發明是有關於一種無線通訊技術，且特別是有關於一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量裝置和測量方法。

近年來，基於5G網路的服務已經逐漸普及。有別於4G網路的天線系統，5G網路的基站端的主動式天線系統與射頻模組具有高度整合性。主動式天線系統僅具有基於乙太網路的數位訊號埠可供控制或連接上層傳輸網路使用，而不具有獨立的射頻訊號端口。測量人員無法利用網路分析儀（network analyzer）經由射頻訊號端口為主動式天線提供射頻訊號，藉以執行被動式的天線場型測量。因此，測量人員僅能通過空中（over-the-air，OTA）測量的方式來測量主動式天線的輻射場型。

國際通訊標準制定組織3GPP將5G網路之主動式天線系統的場型測量方式分為三種，包括直接遠場（direct far field，DFF）、間接遠場（indirect far field，IFF）以及近場到遠場轉換（near field to far field transformation，NFTF）等測量方式。

直接遠場是最直觀最簡單的測量方式，其可將待測天線放置在測量靜區（quiet zone，QZ）以測量待測天線的輻射場型。然而，測量靜區與探測天線之間的距離須滿足2D^2/λ的遠場條件，其中D為待測天線的尺寸，且λ為待測天線所輻射電磁波的波長。若要滿足此遠場條件，特別在高頻段(如毫米波頻段)，因波長短，且通常這類型的天線應用皆採用陣列天線，其結構尺寸大，於此，會需要建置較大的測量環境和設施。因此，應用直接遠場方法將需花費大量成本。間接遠場方法即為縮距場（compact antenna test range，CATR）方法。此方法能在有限的空間下滿足遠場條件。

近場到遠場轉換方法即為在輻射近場（約為3~5倍波長的距離）擷取待測天線之近場的電磁波振幅與相位分布，在依據近場到遠場轉換的數學理論計算出等效的遠場場型，並可通過反向投影技術（back projection technique）來觀察天線的等效電流面，近而推導出天線內部的缺陷單元。相較於前兩種方法，近場到遠場轉換方法更能測量出主動式天線系統的細部運作狀態，進而為研發端或產品驗測端提供更良好的除錯或優化資訊。有鑑於此，如何在輻射近場區擷取到低雜訊的電場，是本領域的重要課題之一。

本發明提供一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量系統，可降低測量待測天線時接收到的雜訊。

本發明的一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量系統，適用於待測天線，包含探測天線、參考天線以及控制系統。探測天線測量由待測天線輻射的電場以取得電場資訊。參考天線測量電場以取得參考相位。控制系統耦接待測天線、探測天線和參考天線，其中控制系統對參考天線應用近場聚焦以將參考天線的焦點配置在待測天線上，其中控制系統根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。

在本發明的一實施例中，上述的參考天線包含天線陣列。

在本發明的一實施例中，上述的天線陣列包含排成一列的至少三天線單元，其中控制系統配置至少三天線單元之間的多個相位差以應用近場聚焦，其中至少三天線單元包含第一天線單元以及設置在第一天線單元的相對位置的第二天線單元，其中第一天線單元與第二天線單元之間的相位差為零。

在本發明的一實施例中，上述的測量系統更包含移動機構。移動機構通訊連接至控制系統，其中探測天線設置在移動機構上，其中控制系統通過移動機構移動探測天線以測量電場。

在本發明的一實施例中，上述的測量系統更包含吸波體。吸波體覆蓋住移動機構。

在本發明的一實施例中，上述的測量系統更包含轉軸。轉軸通訊連接至控制系統，其中待測天線設置在轉軸上，其中控制系統通過轉軸旋轉待測天線，其中在待測天線旋轉期間，待測天線與參考天線之間的相對位置保持不變。

本發明的一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量系統，適用於待測天線，包含探測天線、參考天線以及控制系統。探測天線測量由待測天線輻射的電場以取得電場資訊，其中電場包含主波束；參考天線測量電場以取得參考相位。控制系統耦接所示待測天線、探測天線和參考天線，其中控制系統配置參考天線以最小化參考天線在主波束的方向上的接收增益，其中控制系統根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。

在本發明的一實施例中，上述的參考天線包含天線陣列。

在本發明的一實施例中，上述的天線陣列包含第一天線單元和第二天線單元。第一天線單元具有指向主波束的方向的第一主接收波束。第二天線單元具有指向主波束的方向的第二主接收波束，其中第一天線單元與第二天線單元之間的相位差為180度。

本發明的一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法，適用於待測天線，包含：由探測天線測量由待測天線輻射的電場以取得電場資訊；由參考天線測量電場以取得參考相位；由控制系統對參考天線應用近場聚焦以將參考天線的焦點配置在待測天線上；以及由控制系統根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。

本發明的一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法，適用於待測天線，包含：由探測天線測量由待測天線輻射的電場以取得電場資訊，其中電場包含主波束；由參考天線測量電場以取得參考相位；由控制系統配置參考天線以最小化參考天線在主波束的方向上的接收增益；以及由控制系統根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。

基於上述，本發明可對參考天線應用近場聚焦以將參考天線的焦點配置在待測天線上，進而改善參考天線對探測天線之近場輻射的接收增益。本發明也可最小化參考天線在待測天線的主波束方向上的接收增益，進而降低主波束之反射訊號對參考天線的接收造成的干擾。本發明可藉由為用於設置探測天線的移動機構覆蓋吸波體來減少由移動機構產生的反射訊號。

為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1根據本發明的一實施例繪示一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量系統10的示意圖。測量系統10適用於測量待測天線200的近場之電場振幅大小與相位分佈，並根據近場所量測到的資訊（包括振幅與相位）計算出待測天線200的估計遠場場型，其中待測天線200例如是適用於5G通訊技術的主動式天線。測量系統10可包含控制系統100、探測天線130以及參考天線140。在一實施例中，測量系統10可進一步包含轉軸150、移動機構160以及吸波體170。測量系統10可被設置在無響室（Anechoic Chamber）的環境中。

控制系統100可耦接待測天線200、探測天線130、參考天線140、轉軸150以及移動機構160。具體來說，控制系統100可包含處理器110以及與處理器110通訊連接的網路分析儀120。處理器110可通訊連接至待測天線200、參考天線140、轉軸150以及移動機構160，並可控制待測天線200輻射電場。網路分析儀120可通訊連接至探測天線130以及參考天線140，並且分別自探測天線130和參考天線140取得探測天線130接收到的訊號和參考天線140接收到的訊號。

探測（probe）天線130用以測量待測天線200所輻射的電場以取得電場資訊，其中電場資訊可包含近場之電場振幅以及相位。探測天線130可設置在移動機構160上。處理器110可通訊連接至移動機構160，並可控制移動機構160在待測天線200之電場的測量期間移動，以改變探測天線130的俯仰角（trim angle）。換句話說，處理器110可通過移動機構160移動探測天線130以測量待測天線200之電場。以圖1為例，處理器110可控制移動機構160移動探測天線130在XZ平面上的位置。須注意的是，當探測天線130在XZ平面上移動時，探測天線130與待測天線200之間的距離可保持不變。

當採用OTA測量方式測量待測天線200的近場場型時，由於待測天線200並非採用網路分析儀120作為輸入源，故計算待測天線200的相位變化時會缺少用於作為參考的相位。因此，參考天線140可被配置以測量待測天線200的參考相位。參考天線140的接收訊號的穩定度、參考天線140的空間配置或參考天線140與待測天線200之間的互耦特性皆為是否能準確地測量待測天線200之遠場場型的關鍵因素。參考天線140用以測量待測天線200所輻射的電場以取得參考相位。參考天線140可設置在的待測天線200鄰近處，並且參考天線140與待測天線200之間的相對位置保持不變。具體來說，待測天線200可設置在轉軸150上。處理器110可通訊連接至轉軸150，並可控制轉軸150在待測天線200之電場的測量期間沿著Z軸旋轉。換句話說，處理器110可通過轉軸150旋轉待測天線200以測量待測天線200之電場。在待測天線200隨著轉軸150旋轉期間，參考天線140與待測天線200之間的相對位置保持不變。舉例來說，參考天線140可被設置在轉軸150上或被設置在待測天線200上。當待測天線200隨著轉軸150旋轉時，參考天線140也隨著轉軸150旋轉。據此，參考天線140與待測天線200之間的相對位置可保持不變。

待測天線200所輻射的電場可能會被移動機構160所反射而產生反射訊號，其中反射訊號可能干擾參考天線140所測量的參考相位之數值。為了減少移動機構160所產生的反射訊號，可為測量系統10配置吸波體170。吸波體170可覆蓋住移動機構160。當待測天線200所輻射的射頻訊號傳送至移動機構160時，吸波體170可減少散射所述射頻訊號的截面積，進而降低反射訊號的強度。

在探測天線130測量完待測天線200所輻射之電場並取得電場資訊（即：電場的振幅和相位）且參考天線140測量完待測天線200所輻射之電場並取得參考相位後，控制系統100的處理器110可自網路分析儀120取得電場資訊和參考相位，並根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以產生估計遠場場型。接著，處理器110可輸出估計遠場場型的資訊以供使用者參考。舉例來說，處理器110可將估計遠場場型輸出至使用者的終端裝置（例如：個人電腦）以供使用者參考。

為了更精準地測量待測天線200之電場的參考相位，控制系統100可配置參考天線140以增加參考天線140對待測天線200的接收增益。在一實施例中，控制系統100的處理器110可對參考天線140應用近場聚焦（near field focusing）技術以將參考天線140的焦點配置在待測天線200上，進而最大化參考天線140對待測天線200的接收增益。採用近場聚焦技術設計的參考天線140所輻射的波束可在焦點處產生建設性干涉，以增強對近場訊號的接收增益。舉例來說，若參考天線140與待測天線200相距5公分，則參考天線140的焦點可被配置在與參考天線140相距5公分之處。

圖2A和2B根據本發明的一實施例繪示應用近場聚焦技術的參考天線140的示意圖。參考天線140可包含天線陣列，其中天線陣列可包含排成一列的至少三天線單元，如圖2A所示的天線單元141、天線單元142和天線單元143。天線單元與天線單元可通過功率分配器電路互相連接。控制系統100的處理器110可配置所述至少三天線單元之間的多個相位差以對參考天線140應用近場聚焦技術，以將參考天線140的焦點配置在待測天線200上。假設至少三天線單元包含第一天線單元以及設置在第一天線單元的相對位置的第二天線單元。舉例來說，若第一天線單元設置在從天線陣列的前端數來的第N個位置，則第二天線單元可設置在從天線陣列的末端數來的第N個位置，其中N為正整數。處理器110可配置第一天線單元的相位和第二天線單元的相位以使第一天線單元和第二天線單元之間的相位差為零。

以圖2A為例，天線單元141設置在從天線陣列的前端數來的第1個位置且天線單元143設置在從天線陣列的末端數來的第1個位置。處理器110可配置天線單元141的相位φ1和天線單元143的相位φ3以使天線單元141與天線單元143之間的相位差為零。舉例來說，天線單元141的相位φ1、天線單元142的相位φ2以及天線單元143的相位φ3可分別為0度、-85度以及0度。以此類推，假設參考天線140包含四個天線單元，如圖2B所示的天線單元144、天線單元145、天線單元146和天線單元147。天線單元與天線單元可通過功率分配器電路互相連接。處理器110可配置各個天線單元的相位以使從天線陣列的前端數來的第1個位置上的天線單元（即：天線單元144）與從天線陣列的尾端數來的第1個位置上的天線單元（即：天線單元147）之間的相位差為零，並使從天線陣列的前端數來的第2個位置上的天線單元（即：天線單元145）與從天線陣列的尾端數來的第2個位置上的天線單元（即：天線單元146）之間的相位差為零。也就是說，天線單元144的相位φ4與天線單元147的相位φ7的差值可為零，並且天線單元145的相位φ5與天線單元146的相位φ6的差值可為零。

若移動機構160出現在待測天線200的主波束（即：待測天線200的波束中具有最大增益者）的方向上，則被移動機構160反射的主波束會嚴重地干擾參考天線140對參考相位的測量結果。為了減少待測天線200所輻射之電場的反射訊號或散射訊號對參考相位的測量結果的干擾，本發明採用類似於差模（differential mode）的方式來設計參考天線140。控制系統100可對參考天線140應用遠場振幅零點（null field）技術，以最小化參考天線140在待測天線200的主波束的方向上的接收增益。

圖3根據本發明的一實施例繪示應用遠場振幅零點技術的參考天線140的示意圖。參考天線140可包含天線陣列，其中天線陣列可包含排成一列的至少二天線單元，如圖3所示的天線單元148和天線單元149。天線陣列中的天線單元可具有指向待測天線200的主波束（即：待測天線200的所有波束中具有最大增益者）的方向的主接收波束（即：參考天線140的所有接收波束中具有最大增益者），且天線單元與天線單元之間的相位差可為180度。天線單元與天線單元可通過功率分配器電路互相連接。舉例來說，假設待測天線200的主波束為如圖3所示的主波束210，參考天線140的天線陣列中的天線單元148可具有指向主波束210的方向的主接收波束48，且天線單元149可具有指向主波束210的方向的主接收波束49。主接收波束48的相位φ8與主接收波束49的相位φ9之間的差值可為180度。處理器110將天線單元（例如：天線單元148或149）的主接收波束配置為指向主波束210的方向可代表處理器110配置天線單元的主接收波束以最大化天線單元的主接收波束與待測天線200的主波束210之間的重疊區域，亦即，處理器110盡可能的使天線單元的主接收波束與主波束210重疊。當天線單元148的主接收波束48與天線單元149的主接收波束49都與主波束210重疊時，主接收波束48與主接收波束49可在主波束210的位置形成零點，進而最小化參考天線140在待測天線200的主波束210的方向上的接收增益。

圖4根據本發明的一實施例繪示一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法的流程圖，其中所述測量方法適用於待測天線200且可由如圖1所示的測量系統10實施。在步驟S401中，由探測天線測量由待測天線輻射的電場以取得電場資訊。在步驟S402中，由參考天線測量電場以取得參考相位。在步驟S403中，由控制系統對參考天線應用近場聚焦以將參考天線的焦點配置在待測天線上。在步驟S404中，由控制系統根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。

圖5根據本發明的一實施例繪示另一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法的流程圖，其中所述測量方法適用於待測天線200且可由如圖1所示的測量系統10實施。在步驟S501中，由探測天線測量由待測天線輻射的電場以取得電場資訊，其中電場包含主波束。在步驟S502中，由參考天線測量電場以取得參考相位。在步驟S503中，由控制系統配置參考天線以最小化參考天線在主波束的方向上的接收增益。在步驟S504中，由控制系統根據電場資訊和參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。

綜上所述，本發明具有以下的特點和功效：本發明可將單一參考天線設置在主動式天線的鄰近處，並可利用吸波體覆蓋住容易產生散射波的機構，以防止反射訊號干擾參考天線所擷取的參考相位的精準度；本發明可使用近場聚焦技術改善參考天線的訊號接收品質。本發明可增加主動式天線的近場耦合能力，並可提升相位萃取比對的穩定度。本發明還可削弱遠場場型的輻射增益，以降低散射效應所帶來的訊號干擾；本發明可基於遠場振幅零點技術設計參考天線的結構以降低參考天線對待測天線之主波束方向上的接收增益，進而增強參考天線的抗干擾效果。

10:測量系統 100:控制系統 110:處理器 120:網路分析儀 130:探測天線 140:參考天線 141、142、143、144、145、146、147、148、149:天線單元 150:轉軸 160:移動機構 170:吸波體 200:待測天線 210:主波束 48、49:主接收波束 S401、S402、S403、S404、S501、S502、S503、S504:步驟 φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6、φ7、φ8、φ9:相位

圖1根據本發明的一實施例繪示一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量系統的示意圖。圖2A和2B根據本發明的一實施例繪示應用近場聚焦技術的參考天線的示意圖。圖3根據本發明的一實施例繪示應用遠場振幅零點技術的參考天線的示意圖。圖4根據本發明的一實施例繪示一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法的流程圖。圖5根據本發明的一實施例繪示另一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法的流程圖。

S401、S402、S403、S404:步驟

Claims

一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量系統，適用於放置在無響室中的待測天線，包括：設置在所述無響室中的探測天線，測量由所述待測天線輻射的電場以取得電場資訊；設置在所述無響室中的參考天線，測量所述電場以取得參考相位；以及控制系統，耦接所述待測天線、所述探測天線和所述參考天線，其中所述控制系統對所述參考天線應用近場聚焦以將所述參考天線的焦點配置在所述待測天線上，其中所述控制系統根據所述電場資訊和所述參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。
如請求項1所述的測量系統，其中所述參考天線包括天線陣列。
如請求項2所述的測量系統，其中所述天線陣列包括排成一列的至少三天線單元，其中所述控制系統配置所述至少三天線單元之間的多個相位差以應用所述近場聚焦，其中所述至少三天線單元包括第一天線單元以及設置在所述第一天線單元的相對位置的第二天線單元，其中所述第一天線單元與所述第二天線單元之間的相位差為零。
如請求項1所述的測量系統，更包括：設置在所述無響室中的移動機構，通訊連接至所述控制系統，其中所述探測天線設置在所述移動機構上，其中所述控制系統通過所述移動機構移動所述探測天線以測量所述電場。
如請求項4所述的測量系統，更包括：吸波體，覆蓋住所述移動機構。
如請求項1所述的測量系統，更包括：轉軸，通訊連接至所述控制系統，其中所述待測天線設置在所述轉軸上，其中所述控制系統通過所述轉軸旋轉所述待測天線，其中在所述待測天線旋轉期間，所述待測天線與所述參考天線之間的相對位置保持不變。
一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量系統，適用於放置在無響室中的待測天線，包括：設置在所述無響室中的探測天線，測量由所述待測天線輻射的電場以取得電場資訊，其中所述電場包括主波束；設置在所述無響室中的參考天線，測量所述電場以取得參考相位；以及控制系統，耦接所述待測天線、所述探測天線和所述參考天線，其中所述控制系統配置所述參考天線以最小化所述參考天線在所述主波束的方向上的接收增益，其中所述控制系統根據所述電場資訊和所述參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。
如請求項7所述的測量系統，其中所述參考天線包括天線陣列。
如請求項8所述的測量系統，其中所述天線陣列包括：第一天線單元，具有指向所述主波束的所述方向的第一主接收波束；以及第二天線單元，具有指向所述主波束的所述方向的第二主接收波束，其中所述第一天線單元與所述第二天線單元之間的相位差為180度。
如請求項7所述的測量系統，更包括：設置在所述無響室中的移動機構，通訊連接至所述控制系統，其中所述探測天線設置在所述移動機構上，其中所述控制系統通過所述移動機構移動所述探測天線以測量所述電場。
如請求項10所述的測量系統，更包括：吸波體，覆蓋住所述移動機構。
如請求項7所述的測量系統，更包括：轉軸，通訊連接至所述控制系統，其中所述待測天線設置在所述轉軸上，其中所述控制系統通過所述轉軸旋轉所述待測天線，其中在所述待測天線旋轉期間，所述待測天線與所述參考天線之間的相對位置保持不變。
一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法，適用於用於測量放置在無響室中的待測天線的測量系統，其中所述測量系統包括設置在所述無響室中的探測天線、設置在所述無響室中的參考天線以及控制系統，且所述測量方法包括：由所述探測天線測量由所述待測天線輻射的電場以取得電場資訊；由所述參考天線測量所述電場以取得參考相位；由所述控制系統對所述參考天線應用近場聚焦以將所述參考天線的焦點配置在所述待測天線上；以及由所述控制系統根據所述電場資訊和所述參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。
一種基於近場到遠場轉換的天線場型的測量方法，適用於用於測量放置在無響室中的待測天線的測量系統，其中所述測量系統包括設置在所述無響室中的探測天線、設置在所述無響室中的參考天線以及控制系統，且所述測量方法包括：由所述探測天線測量由所述待測天線輻射的電場以取得電場資訊，其中所述電場包括主波束；由所述參考天線測量所述電場以取得參考相位；由所述控制系統配置所述參考天線以最小化所述參考天線在所述主波束的方向上的接收增益；以及由所述控制系統根據所述電場資訊和所述參考相位執行近場到遠場轉換以輸出估計遠場場型。