基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法及系统与流程

本发明涉及天线的性能测试技术领域，尤其涉及基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法及系统。

背景技术：

近年来集成电路(ICs)的发展十分迅猛。晶体管的尺寸不断的减小，工作频率极限不断的增高，电路集成化程度不断的加强，制造工艺不断改良，功率消耗不断地降低，这些都是推动集成电路不断发展的动力。射频集成电路同数字集成电路一样，也得到了巨大的发展，多制式，多频段的无线收发系统已经被开发，另一方面，毫米波段的单片微波集成电路(MMIC)已经广泛运用于雷达与通信系统中。毫米波频段拥有极宽的带宽，通常认为毫米波认为26.5GHz-300GHz的电磁波，带宽高达273.5GHz，超过从直流到微波全部带宽的十倍。即使在大气中传播时，考虑大气吸收的情况下，只能使用的四个主要窗口(35GHz，94GHz，140GHz，220GHz)的总带宽也可以达到135GHz。之前的毫米波电路多采用GaAs或InP基工艺，由于GaAs和InP这些材料有较高的电子迁移率和电阻率，因此电路可以获得良好的RF性能，但是缺点是这些工艺的成本较高。千兆比特速率的点对点连接、超大容量无线局域网(WLAN)短距离的高速个人无线局域网(WPAN)等高速的宽频带通信应用在市场上的需求正在不断扩大，这时候设计实现具有高集成度、低功耗、高性能和低成本的毫米波单片微波集成电路(MMIC)才是顺应发展潮流的。硅(Si)基CMOS工艺具有成本低、功耗低以及能够较容易与基带IC模块的制造工艺兼容等优点。在制造的电路上，虽然CMOS工艺与GaAs工艺相比在高频性能和噪声性能方面并不具备优势，然而，随着深亚微米与纳米工艺的日渐成熟，设计并实现毫米波CMOS电路已经成为可能。而片上天线也就成为片内互连，片间通信的一种必然的选择。

任何天线都可以使用特征参数来评估天线的性能。天线的特性参数包括天线阻抗、方向特性、增益、极化、以及天线的方向图特性。天线的这些特性参数决定了天线的品质以及天线的应用场合和适用范围，所以，为了检验研发及生产过程中片上天线的性能好坏，也必须对片上天线的性能参数进行测试，其中一个重要指标就是增益。

增益定量地表征了天线把输人功率集中辐射的能力，展示天线朝特定方向收、发电磁信息的品质，是天线最重要的电讯指标之一，也是分析天线、天线阵之间隔离度、交叉极化比等其他电磁性能参数不可缺少的工具。提高天线增益可以在某一确定方向扩大电波覆盖范围、增加作用距离和强化威力。因此，天线增益，特别是标准增益天线的设计、测试和标定在军用和民用实践中有较强的现实需求和较高的工程意义。

天线增益的多种测试方法大体可分为绝对法和相对法两类。绝对法测天线增益需考虑测试馈线的插损、待测天线和检验天线间的测试距离及影响测试精度的众多误差源。

Friis传输公式是天线增益测试和标定的理论基础。它阐述了图1所示2个处于辐射远场，任意极化，任意最大值指向，作发射检验天线的端口B与作接收待测天线(AUT)端口C间的能量传递关系。

但是，天线增益的远场测试一般难以精确重复，也不经常使用功率计提取端口B的输出功率P_T和端口C的输入功率P_R。而较易得到的是，信号源端口A的输出功率P_out和接收机端口D的输人功率P_in。现今的天线增益远场测试中，信号源和接收机往往合二为一为矢量网络分析仪。于是，便于工程应用的增益设计和标定的Friis传输公式可以修改为

$P_{in}=q\·\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}\·r}\right){\mathrm{MG}}_R{G}_T{\mathrm{\η}}_R{\mathrm{\η}}_T{P}_{out}---\left(1\right)$

式中：q为收发天线间的极化失配系数，收发天线为纯线极化时，q＝cos²δ,δ为收发天线电流之间(极化)方向的夹角；λ为工作波长；r为收发天线间距；G_TG_R分别为接收天线和发射天线增益。它们是各自本地坐标系空间方向的三维函数；η_T为连接端口A，B之间发射馈线的插人损耗η_R为连接端口C，D之间接收馈线的插人损耗M为收发天线端口B，C因信号反射引人的修正因子。若信号源与发射馈线、接收机与接收馈线匹配，即

$M=(1-|{\mathrm{\Γ}}_R{|}^2)\·(1-|{\mathrm{\Γ}}_T{|}^2)---\left(2\right)$

则式(1)便取通常Friis传输公式的形态。

假设：图1中B处检验天线T与C处待测天线A₀(或标准增益天线S)的最大值指向对准、极化匹配、间距固定；增益测试时信号源功率输出恒定。

相对法－比较法

线极化天线增益通常采用“比较法”即相对法测试:检验天线T在B处将发射馈线注人的恒定频率和功率的信号发射。以同一接收馈线分别对C处紧挨的待测天线A0和标准增益天线S作接收。设2次测试得到的接收机端口D的接收功率分别为PAin和PSin。则由式(1)可得，考虑测试馈线插人损耗和传输失配不同于教科书的待测天线A0增益G的表示

$G=10\lg \frac{{\mathrm{\ρ}}_s{({\mathrm{\ρ}}_A+1)}^2}{{({\mathrm{\ρ}}_s+1)}^2{\mathrm{\ρ}}_A}+(G_s+P_{Sin}-P_{Ain})---\left(3\right)$

式中：ρ_sρ_A分别为S，A0输人端的驻波比，Gs为S的增益。

比较法增益测试系统示意图如图2所示。

绝对法－两相同天线法

两相同待测天线A0增益G的绝对法测试，采用其中任一天线作发射，另一天线作接收。修正后A0的增益G由式(1)可得

$G=10\lg \[\frac{4\mathrm{\π}\·r}{\mathrm{\λ}}\frac{{({\mathrm{\ρ}}_A+1)}^2}{4{\mathrm{\ρ}}_A}\]+\frac{1}{2}(P_{in}-P_{out}+L_T+L_R)---\left(4\right)$

两相同天线法增益测试系统示意图如图3所示。

以上两种典型天线增益测试方法都是基于传统天线接口馈电基础，直接法测试需要测量出发射天线和接收天线接口端的功率，再结合Friis传输公式计算出两个相同天线的增益；相对法需要对标准天线进行标定，再用待测天线替换标准天线进行相对测试，但相对于片上天线，该两种方法由于片上天线馈电方式的不同而不能进行有效测试。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法及系统，可有效解决由于探针多次使用造成探针插损变化的问题，精确测出探针的实际插损值，进而提高被测片上天线的增益测试精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法，包括，

步骤1：发射端连接已知增益的标准天线，接收端连接接收天线；

步骤2：采集标准天线接收的辐射信号，并存储；

步骤3：拆掉标准天线，并在矢量网络分析仪和标准天线之间的矢量网络分析仪端口做单端口校准，之后在该端口连接探针并在探针端口做单端口校准；

步骤4：对被测片上天线进行馈电，采集片上天线辐射出的信号，并存储；

步骤5：利用所述步骤2和步骤4存储的标准天线和片上天线采集的信号得到片上天线的增益数据。

所述步骤1完成后控制转台按设定程序进行运动。

所述步骤4中，使用探针对被测片上天线进行馈电。

所述步骤4中，利用接收天线采集片上天线辐射出的信号。

所述步骤5中，利用标准天线和片上天线两次采集的信号，去除掉探针的插损得到片上天线的增益数据。

在扫频模式下进行测试，测试频点数多，一次测量能得到全频段的增益数据。

采用所述基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法的系统，包括主控计算机，所述主控计算机与矢量网络分析仪和转台控制器连接，所述矢量网络分析仪与毫米波控制机连接，所述毫米波控制机与毫米波系列T/R测试模块连接，所述毫米波系列T/R测试模块与探针连接，所述探针将产生的微波毫米波信号馈送到片上天线；还包括接收模块，所述接收模块接收片上天线辐射出来的微波毫米波信号，并送到矢量网络分析仪中。

所述接收模块包括接收天线，所述接收天线固定在转台上。

所述转台包括方位面旋转平台和俯仰面旋转平台，所述方位面旋转平台和俯仰面旋转平台都与转台控制器连接，所述转台控制器与所述主控计算机连接。

所述俯仰面旋转平台围绕片上天线旋转，旋转的过程中保持接收天线和片上天线的收发距离不变。

本发明的有益效果：

本发明利用天线测试系统分别在未连接探针及连接探针两种情况下，分别在矢量网络分析仪端口及探针端口做单端口校准，准确得到探针插损数据，有效解决了利用相对法对片上天线进行增益标定时探针插损的不确定问题，大大提高了基于探针馈电的片上天线增益的测试精度。

附图说明

图1为天线增益测试原理；

图2为比较法增益测试系统示意图；

图3为两天线相同法增益测试系统示意图；

图4为本发明的基于探针馈电增益测试系统示意图。

图5为本实施例的测试具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法的系统，包括主控计算机，所述主控计算机与矢量网络分析仪和转台控制器连接，所述矢量网络分析仪与毫米波控制机连接，所述毫米波控制机与毫米波系列T/R测试模块连接，所述毫米波系列T/R测试模块与探针连接，所述探针将产生的微波毫米波信号馈送到片上天线；还包括接收模块，所述接收模块接收片上天线辐射出来的微波毫米波信号，并送到矢量网络分析仪中。

所述接收模块包括接收天线，所述接收天线固定在转台上。所述转台包括方位面旋转平台和俯仰面旋转平台，所述方位面旋转平台和俯仰面旋转平台都与转台控制器连接，所述转台控制器与所述主控计算机连接。所述俯仰面旋转平台围绕片上天线旋转，旋转的过程中保持接收天线和片上天线的收发距离不变。

在主控计算机的控制下，矢量网络分析仪产生的微波毫米波信号通过发射端口、电缆、波导组件、探针后，馈送到片上天线；接收模块放置在远端，并固定在转台上，接收模块利用固定其上的接收天线接收片上天线辐射出来的微波毫米波信号，通过微波电缆及旋转关节等送到矢量网络分析仪中，实现信号的接收，转台系统通过俯仰面旋转平台围绕片上天线旋转，旋转的过程中保持收发距离不变，通过测试片上天线一定角度范围内的幅度、相位信息，即可完成方向图、增益等指标测试。

如图5所示，利用该系统进行基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法的具体过程包括：

(1)正确连接测试仪器设备及电缆，确保各连接设备工作正常；

(2)在发射端连接标准天线，接收端连接接收天线；

(3)通过测试软件设置仪器参数，使转台按程序设定规则进行运动；

(4)通过数据采集软件采集标准天线接收的辐射信号，并存储；

(5)拆掉标准天线，并在矢量网络分析仪和标准天线之间的端口(矢量网络分析仪端)做单端口校准，之后在该端口连接探针并在探针端口做单端口校准；

(6)使用探针对被测片上天线进行馈电，利用接收天线采集片上天线辐射出的信号，并存储；

(7)利用标准天线和片上天线两次采集的信号，去除掉探针的插损即可得到片上天线的增益数据。

本发明提出的一种基于单端口校准探针去嵌的片上天线增益测试方法，利用在探针输出端口和矢量网络分析仪端口分别进行单端口校准，准确得到探针插损数据，利用该插损数据代入系统射频链路，可准确得到片上天线增益参数。

(1)测试精度高：通过分别在矢量网络分析仪端口及探针端口做单端口校准，精确获得探针插损数据，进而在计算片上天线增益时得到准确的计算结果；

(2)校准方便：可在扫频模式下进行校准，测试频点数多，一次校准测量即可得到全频段的增益数据；

本发明利用在矢量网络分析仪端口及探针输出端口分别进行单端口校准的方式，准确测量得到探针插损数据的方法；利用基于探针台结构的天线测试系统对片上天线进行辐射信号的发射及获取。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。