具有碟型反射面的天线测量系统的制作方法

1.本实用新型关于一种天线测量系统，尤其关于一种具有碟型反射面的天线测量系统，可针对实际测试需求而调整结构的天线测量系统。


背景技术：

2.随着高速无线数据传输的需求不断增长，现行第四代通信技术(4th generation,4g)已渐渐无法满足需求，因此全球行动通信业者便开始投入第五代通信(5th generation,5g)或更高世代技术的发展。由于毫米波(millimeter wave)以上频段具有高传输速率的优点，因此毫米波频段以上相位阵列天线目前是5g或更高世代相关天线技术中的发展重点，使得相关的运用与天线测量技术都显得极为重要。
3.然而，现有的天线测量系统需要很大的空间建置场地，而且对于已架设好的测量设施不能作灵活调整，以上种种的不利因素皆会增加厂商的成本。


技术实现要素：

4.综上所述，本实用新型的目的在于提供一种具有碟型反射面的天线测量系统，其具有低成本、可调距、可调尺寸的优势，以解决上述问题。
5.根据本实用新型一实施例，天线测量系统包含：一天线阵列、一反射碟面阵列以及一测量面。天线阵列包含呈直线排列的多个天线单元；上述天线单元中任何相邻两天线单元相隔一预定间距，且上述天线单元中每一天线单元具有一辐射体以及一馈入点。反射碟面阵列包括至少一反射碟面，沿着一宽度或高度方向紧邻排列与接合，反射碟面阵列用以根据天线阵列发出的信号产生一反射信号。待测天线在测量面用以对反射信号进行一测量操作。
6.根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：反射碟面阵列的宽度或高度根据至少一反射碟面中多个反射碟面的数量来调整，其中这些反射碟面沿宽度或高度方向拼接，这些反射碟面拼接后的总宽度或总高度作为反射碟面阵列的宽度或高度。
7.根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：反射碟面阵列相对于天线阵列呈现一个维度反射抛物面。
8.根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：反射碟面阵列沿着一高度方向的高度值通过以下公式计算：
[0009][0010]
其中z为深度值，y为反射抛物面沿着一高度方向的高度值，fy为天线阵列与反射抛物面的焦距值，其中高度方向、宽度方向以及深度方向彼此垂直。
[0011]
根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：测量面具有
一测量静域，测量静域的几何尺寸大于或等于测量面的几何尺寸的二分之一。
[0012]
根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：测量静域与反射抛物面之间的距离为1.5至2.5倍fy。
[0013]
根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：测量静域内的振幅涟波小于
±
0.5db，相位误差小于
±
5度。
[0014]
根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：天线阵列包含一介质基板以及一传输线，每一天线单元的辐射体设置于介质基板上，每一天线单元的馈入点耦接于传输线。
[0015]
根据本实用新型一实施例，所述天线测量系统进一步包含以下特征：辐射体包含一第三导电部、一第一导电部以及一第二导电部，第一导电部由第一延伸部、第一弯曲部以及第一弯折部所构成，且第二导电部由第二延伸部、第二弯曲部以及第二弯折部所构成。
附图说明
[0016]
图1a为根据本实用新型实施例的天线测量系统的示意图。
[0017]
图1b为图1a的天线测量系统的流程的示意图
[0018]
图2为应用于图1a天线测量系统的天线阵列的示意图。
[0019]
图3为图2天线阵列的背面的示意图。
[0020]
图4为对反射碟面阵列作宽度调整的示意图。
[0021]
图5为根据本实用新型一实施例用于图1a天线测量系统的测量面的示意图。
[0022]
图6为馈入天线辐射场水平横切面的能量分布的示意图。
[0023]
图7为馈入天线辐射场水平纵切面的能量分布的示意图。
[0024]
附图标记说明：100-天线测量系统；110-天线阵列；110f-馈入点；110s-天线单元；120-反射碟面阵列；130-测量面；135-测量静域；140-辐射体；141-第一导电部；141-1-第一延伸部；141-2-第一弯曲部；141-3-第一弯折部；142-第二导电部；142-1-第二延伸部；142-2-第二弯曲部；142-3-第二弯折部；143-第三导电部；145、146-图案；150-传输线；160-介质基板；200
…
流程；210-机械臂；215-测量构件；220-网络分析仪；610、620、710、720-曲线；p1-扫描路径；r1-反射信号；s1-信号；t1、t2-步骤。
具体实施方式
[0025]
揭露特别以下述例子加以描述，这些例子仅用以举例说明而已，因为对于熟习此技艺者而言，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。在通篇说明书与权利要求书中，除非内容清楚指定，否则“一”以及“该”的意义包含这一类叙述包括“一或至少一”该元件或成分。此外，如本揭露所用，除非从特定上下文明显可见将复数排除在外，否则单数冠词亦包括复数个元件或成分的叙述。而且，应用在此描述中与下述的全部权利要求书中时，除非内容清楚指定，否则“在其中”的意思可包含“在其中”与“在其上”。在通篇说明书与权利要求书所使用的用词(terms)，除有特别注明，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供从业人员(practitioner)在有关本揭露的描述上额外的引导。在通篇说明书
的任何地方的例子，包含在此所讨论的任何用词的例子的使用，仅用以举例说明，当然不限制本揭露或任何例示用词的范围与意义。同样地，本揭露并不限于此说明书中所提出的各种实施例。
[0026]
在此所使用的用词“实质上(substantially)”、“大约(around)”、“约(about)”或“近乎(approximately)”应大体上意味在给定值或范围的20％以内，优选在10％以内。此外，在此所提供的数量可为近似的，因此意味着若无特别陈述，可以用词“大约”、“约”或“近乎”加以表示。当一数量、浓度或其他数值或参数有指定的范围、优选范围或表列出上下理想值之时，应视为特别揭露由任何上下限的数对或理想值所构成的所有范围，不论该等范围是否分别揭露。举例而言，如揭露范围某长度为x公分到y公分，应视为揭露长度为h公分且h可为x到y之间的任意实数。
[0027]
此外，若使用“电(性)耦接”或“电(性)连接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。举例而言，若文中描述一第一装置电性耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。另外，若描述关于电信号的传输、提供，熟习此技艺者应该可以了解电信号的传递过程中可能伴随衰减或其他非理想性的变化，但电信号传输或提供的来源与接收端若无特别叙明，实质上应视为同一信号。举例而言，若由电子电路的端点a传输(或提供)电信号s给电子电路的端点b，其中可能经过一晶体管开关的源汲极两端及/或可能的杂散电容而产生电压降，但此设计的目的若非刻意使用传输(或提供)时产生的衰减或其他非理想性的变化而达到某些特定的技术效果，电信号s在电子电路的端点a与端点b应可视为实质上为同一信号。
[0028]
可了解如在此所使用的用词“包含(comprising)”、“包含(including)”、“具有(having)”、“含有(containing)”、“包含(involving)”等等，为开放性的(open-ended)，即意指包含但不限于。另外，本实用新型的任一实施例或权利要求书不须达成本实用新型所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本实用新型的权利要求书的范围。
[0029]
请参考图1a，图1a为根据本实用新型实施例的天线测量系统100的示意图，天线测量系统100包含一天线阵列110、一反射碟面阵列120以及一测量面130，天线阵列110包含呈直线排列的多个天线单元110s。反射碟面阵列120用以根据天线阵列110发出的信号s1产生一反射信号r1，待测天线在测量面130用以测量反射信号r1。
[0030]
请参考图1b，图1b为图1a的天线测量系统100的流程200的示意图，其中:
[0031]
射频信号由网络分析仪220输出，经由射频同轴缆线将信号送至碟型反射面(例如反射碟面阵列120)的馈入天线(例如天线阵列110)(如步骤t1所示)，馈入天线将信号辐射后再经由碟型反射面将能量反射；接着，使用机械臂210上的待测天线(含测量构件)对测量面130的测量静域135作射频信号的测量并且输出至网络分析仪220(如步骤t2所示)。在另一侧，机械臂210以测量构件215扫描测量静域135作平面扫描(如扫描路径p1所示，可为水平、垂直交替的方式)，其扫描方式是将射频能量接收后，再将信号送回网络分析仪220内，并将数据记录下来。
[0032]
图2为应用于图1a天线测量系统100的天线阵列110的示意图，如图2所示，天线阵列110包含一介质基板160(此元件并非必要的元件)以及一传输线150(可为低频传输线)，每一天线单元110s的辐射体140设置于介质基板160上，且每一天线单元110s的馈入点110f
皆耦接于传输线150，其中天线单元110s与相邻的天线单元之间相隔一预定间距，此预定间距可为天线测量系统100的操作频率的0.5倍波长，但本实用新型不以此为限。此外，上述天线单元之间的间距可以是一天线单元的中心点到下一天线单元的中心点的距离。
[0033]
根据本实用新型一实施例，天线单元110s例如是一偶极天线，且其辐射体140包含第一导电部141、第二导电部142以及第三导电部143，其中第三导电部143可为导向器。第一导电部141包含第一延伸部141-1、第一弯曲部141-2以及第一弯折部141-3，且第二导电部142包含第二延伸部142-1、第二弯曲部142-2以及第二弯折部142-3。在偶极天线间距为半波长的设计中，为了避免带宽范围受到波长所限制，辐射体140的设计是将偶极天线的两翼(亦即第一导电部141、第二导电部142)采用渐进式的曲线轮廓，一方面可以降低电流的不连续性，另一方面有助于增加对应的频率范围，以利增加带宽。换言之，偶极天线辐射方向采用渐进式的曲线轮廓有助于增加带宽及增益的提升。
[0034]
参见图3，图3为图2天线阵列110的背面的示意图，偶极天线的背部设置有与偶极天线轮廓相似的图案145、146(pattern)，材质为铜(copper)，此设计是为了补偿共平面式偶极天线会在垂直天线面(h-plane)产生不对称的波束，加入此设计可改善波束的对称性。
[0035]
根据本实用新型一实施例，介质基板160可为一单层板，并且由rogers4003c所制成。介质基板160的板材可使用碳氢陶瓷层压板来实作，碳氢陶瓷层压板具有低损耗与低介电公差(dielectric constant:3.38 /-0.05)以及低耗散系数(dissipation factor:0.0027)等特性，且应用频率可达70ghz。rogers4003c材料的热膨胀系数类似于铜的热膨胀系数，故即使在高温下也能提供可靠的镀通孔(plated through hole)质量。在效能方面，将板材厚度设计为0.203mm并且将基板介电常数(εr)设计为3.55的基板，即可达到30％的操作频带，这个厚度也有助于在垂直天线面(h-plane)有非常宽的波束宽度，并且在-1db波束宽达到140度。
[0036]
参见图4，图4为对反射碟面阵列120作宽度调整的示意图。反射碟面阵列120包括至少一柱状反射碟面(其呈现碟型反射面)，亦即可仅包含一个反射碟面(如图1a所示)或是由沿着一宽度或高度方向紧邻排列与接合多个反射碟面构成。如图4所示，反射碟面阵列120可由多个反射碟面120-1、120-2
…
120-n构成，且示意地绘示沿宽度方向排列，但不以此为限。根据以上概念，本实用新型反射碟面阵列120的宽度可根据反射碟面的数量来调整，这些反射碟面沿一宽度方向紧邻排列与接合，且反射碟面拼接后的总宽度即为反射碟面阵列120的宽度。举例来说，这些反射碟面可以使用焊接或是螺丝锁紧的方式固定而拼接再一起。同样的思维亦可以应用于高度方向的扩展，其反射面的产生依据以下公式(2)进行延伸。
[0037]
此外，如图1a所示，反射碟面阵列120相对于天线阵列110呈现一个维度的一反射抛物面，若从x轴方向观看，该反射抛物面在y-z平面上呈现一拋物线弧度，然而本实用新型并不限制该反射抛物面的曲度，可根据实际使用需求来调整。反射碟面阵列120沿着深度方向(例如z轴方向)的深度值通过以下公式计算：
[0038][0039]
其中z为该反射抛物面的深度值，y为该反射抛物面沿着高度方向(例如y轴方向)
的高度值，fy为天线阵列110与该反射抛物面的焦距值，其中上述高度方向、宽度方向以及深度方向彼此垂直。
[0040]
请参考图5，图5为根据本实用新型一实施例用于图1a天线测量系统100的测量面130的示意图，测量面130具有一测量静域135，测量静域135的几何尺寸大于或等于测量面130的几何尺寸的二分之一，亦即测量静域135的宽度、高度方向上的边长须大于或等于测量面130的边长的二分之一。根据上述设计，当需要改变静域尺寸时，仅须调整该反射抛物面的垂直高度(y轴方向)，往高度方向扩展，而水平宽度(x轴方向)只需使用相同的反射抛物面拼接扩展，不须重新设计反射面。
[0041]
此外，测量静域135与该反射抛物面之间的距离为1.5至2.5倍fy，也就是说，当天线阵列110与反射碟面阵列120之间的焦距为fy时，天线阵列110与测量面130的距离可大致上为0.5fy～1.5fy。举例来说，测量静域135测量到的的振幅涟波小于
±
0.5db，相位误差小于
±
5度，但本实用新型不限于此。
[0042]
测量面130会根据天线阵列110中每一天线单元110s所引发的射频信号能量来计算反射碟面阵列120的辐射场，并且根据测量到的辐射场来决定要馈入每一天线单元110s的馈入点110f的优化振幅以及优化相位。在一实施例中，上述测量操作将该反射抛物面分为多个区块，并且分别测量这些区块各自的辐射场，最后取得加总后取平均值的辐射场。
[0043]
综上所述，本实用新型提供一种改良的缩距式天线测量系统，适于在狭小空间内建置天线辐射远场环境，并且可大幅提升测量的精准度，满足生产线使用需求。此外，本实用新型的系统扩展度高，其中反射碟面阵列的宽度与高度可以灵活作调整，更可大幅降低厂商的成本。此外，本实用新型有别于传统做法，测量结构采用一种新颖的反射抛物面设计，更可大幅降低传统缩距式天线测量场的成本(实验室建置场地大幅缩小、建造成本降低，且距离缩短后，射频信号衰减变小，不需再增加射频放大器将信号放大)，这是由于本实用新型以反射抛物面作为反射面，反射面设置在较近的距离就可提供远距的效果。此外，本实用新型尤其适用于毫米波以上的频段测量，能够大幅缩小系统建置空间，符合产线的需求。
[0044]
本实用新型的天线测量系统的优点可归纳如下：
[0045]
(1)馈入天线采用阵列天线型式，每个天线单元的间距可为天线测量系统的操作频率的0.5倍波长(但不以此为限)，并且利用物理光学(physical optics)分析反射面的辐射表现，以计算各馈入天线单元最佳激发振幅及相位(excitation amplitude and phase)；
[0046]
(2)依照不同测静域尺寸需求，仅须调整反射面的垂直高度，而水平宽度只需使用相同反射面拼接扩展，不须重新设计整个反射面；
[0047]
(3)天线单元的辐射体外型采用新颖的设计，一方面可以降低电流的不连续性，另一方面有助于增加对应的频率范围，以利增加带宽；
[0048]
(4)新颖的反射抛物面设计使天线测量系统不需要占用广大的面积就可以达到预期的测量效果；
[0049]
(5)系统的扩展度高，特别针对毫米波以上的频段测量大幅缩小系统建置空间，尤其适用于产线的应用。
[0050]
上述各馈入天线单元最佳激发振幅及相位可以通过图6、图7来理解，图6为馈入天
线辐射场水平横切面的能量分布的示意图，且图7为馈入天线辐射场水平纵切面的能量分布的示意图，其中曲线610、710为未使用天线测量系统进行天线优化的电场分布，曲线620、720则是使用天线测量系统进行天线优化的电场分布，比较曲线610、620(或710、720)可看出曲线620、720的中间部分的变动量显著地变小，两侧能量也显著地下降。未使用馈入天线单元最佳激发振幅及相位时，曲线620与720的斜度(taper)相较于610与710有明显的下降，故可提供更佳的测量范围以及信号质量，足以证明本实用新型的技术确实足以实现上述功效。