用于进行天线测量的场探测器和方法与流程

1.本发明涉及一种用于进行天线测量的场探测器，尤其涉及一种用于通过无相位测量进行天线测量的场探测器。本发明还涉及一种通过无相位测量进行天线测量的方法。


背景技术：

2.尽管本发明一般适用于电磁场的任何测量，但下文将结合被测天线的近场特性的测量来描述本发明及其潜在的问题。
3.当执行天线测量、特别是毫米波天线的测量时，被测天线可以发射电磁波，并且发射的电磁波可以由一个或多个测量天线中的多个接收。测量天线可以测量接收到的电磁波，并将接收到的信号转发到测量装置(例如，向量网络分析器等)。
4.为此，天线和测量装置必须通过昂贵的射频同轴电缆、旋转接头、连接器连接。此外，可能需要诸如rf放大器、混频器、或开关之类的附加装置来将天线接收到的信号传输到测量装置。在需要近场到远场转换的情况下，需要接收到的信号的相位信息，并且因此，还需要稳相电缆和专用缆线布置。所有这些要求导致了复杂且昂贵的测试布置。
5.在此背景下，本发明旨在提供一种改进和简化的探测器，用于测量电磁波、特别是用于执行天线测量。具体地，本发明旨在提供一种允许通过无相位测量进行天线测量的探测器布置。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种具有根据独立权利要求的特征的用于进行天线测量的的场探测器和方法。其他有利实施例是从属权利要求的主题。
7.根据第一方面，提供了一种用于进行天线测量的场探测器。特别地，场探测器可以通过无相位测量来进行天线测量。场探测器包括天线布置和射频rf电路。所述天线布置包括三个或四个天线中的多个天线。所述三个或四个天线共享公共中心点。所述天线中的每个天线被配置为测量由被测装置、尤其是被测天线发射的射频波。所述rf电路直接连接到所述多个天线。此外，所述rf电路被配置为从所述天线中的每个天线接收测量到的rf波。所述rf电路还被配置为将测量到的rf波相加，并且将测量到的rf波相减。所述rf电路还被配置为确定被测装置的幅度方向图和/或相位方向图。特别地，可以基于相加的rf波和相减的rf波来确定幅度方向图和/或相位方向图。
8.根据另一方面，提供了一种用于进行天线测量、特别是用于通过无相位测量进行天线测量的方法。所述方法包括通过天线布置测量射频rf波的步骤。所述天线布置可以包括三个或四个天线中的多个天线。特别地，所述多个天线可以共享公共中心点。所述方法还包括将测量到的rf波相加的步骤和将测量到的rf波相减的步骤。此外，所述方法可以包括确定被测装置的幅度方向图和/或相位方向图的步骤。特别地，可以基于相加的rf波和相减的rf波的结果来确定幅度方向图和/或相位方向图。
9.本发明基于这样的发现：用于测量电磁波、特别是被测天线的天线方向图的常规
测量布置可能需要复杂且昂贵的测试布置。具体地，可能需要大量昂贵的高质量元件(诸如，稳相电缆、旋转接头或连接器、放大器、混频器或开关)来将接收到的rf信号的能量传输到测量装置。
10.本发明考虑到这一发现并且旨在提供一种简化的测试布置，尤其是一种用于测量rf波(例如，用于测量执行天线测量的电磁波)的改进的场探测器。具体地，本发明旨在提供一种场探测器，其允许在不需要相位测量的情况下进行天线测量。
11.为此，本发明提出了一种具有三个或四个天线的天线布置的场探测器，其中，各个天线以特定的预定配置布置。特别地，所述天线被布置为使得所述天线共享公共中心点。例如，所述天线中的每个天线可以包括连接到这个特定中心点的角或边缘。这样，所述三个或四个天线中的多个天线相对于其他天线布置在特定的预定和公知的位置。例如，各个天线的相应的角可以电耦合到所述中心点。为此，所述天线的相应的角可以在所述中心点处焊接在一起。然而，对于具有各个天线的公共中心点的天线布置来说，任何其他适当方式可以是可行的。
12.所述天线布置的天线可以是任何种类的适当天线。特别地，各个天线可以被适配到应由所述场探测器测量的期望的频率范围。例如，各个天线可以被实现为喇叭天线等。然而，应当理解，用于所述期望的频率范围的任何其他种类的适当天线也可以是可行的。
13.所述场探测器的rf电路直接连接到各个天线的输出端口。在这种连接中，术语“直接”表示所述rf电路的输入端在中间没有任何其他元件的情况下连接到所述天线的输出端口。最多可以使用非常短的传导元件将所述天线的输出端口与所述rf电路的对应的输入端口电耦合。这样，所述rf电路位于所述天线布置的近距离内。因此，在所述天线的输出端口和所述rf电路的输入端口之间不需要诸如rf连接器、rf电缆、放大器、混频器等的附加部件。
14.所述场探测器的rf电路对由所述天线布置的天线提供的接收到的rf信号执行适当的操作。特别地，所述rf电路基于测量到的rf波来确定幅度方向图和/或相位方向图。为此，所述rf电路可以执行适当的操作，以为了获取接收到的rf波的和以及接收到的rf波之间的差。例如，所述rf电路可以将来自各个天线的rf波成对地相加。相应地，所述rf电路还可以分别确定两个接收到的rf波之间的差。基于接收到的rf波的这些和以及差，所述rf电路可以确定幅度方向图和/或相位方向图的值。特别地，所述幅度方向图和所述相位方向图可以与由具有所述天线方向图的天线接收到的电磁波相对应。
15.如下文将更详细地描述的，可以通过任何适当的方式来执行所述rf波的和以及差的确定。例如，所述rf电路可以包括输出与两个输入信号的和或差相对应的信号的特定部件(例如，电路)。特别地，可以实时地确定所述和以及所述差。因此，所述和以及所述差的输出值可以与相应的输入值连续对应。换言之，所述rf波的和值和差值于所述输入值连续对应，而不进行诸如平均等任何操作。
16.以这种方式，所述场探测器可以仅通过使用三个或四个天线对rf波进行无相位测量来提供对电磁场的幅度和相位的测量。特别地，在不考虑各个接收到的rf波的相位的情况下确定幅度和相位信息。此外，也不需要考虑任何其他的相位信息(例如，参考相位等)。以这种方式，可以简化被测天线的电磁场(例如，天线方向图)的测量。特别地，可以由仅需要低成本的硬件执行测量。此外，场探测器布置可以执行用于确定幅度方向图和/或相位方
向图的测量，而不需要在各个天线周围移动。因此，可以省略用于移动或定位各个天线元件的附加硬件部件。
17.可以以任何适当的方式提供与所确定的用于说明幅度和/或相位的方向图有关的信息或信号。例如，所述rf电路可以包括输出端，所述输出端可以连接到接收与幅度和/或相位有关的信号的另一的测量装置。然而，可以通过相对简单的电缆提供用于输出所确定的幅度和/或相位的信号。特别地，不需要通过专用电缆(诸如，稳相电缆或昂贵的rf电缆)连接所述rf电路的输出端。
18.由于所述场探测器可以基于无相位测量提供幅度方向图和相位方向图，因此所确定的幅度和相位方向图可用于近场分析，例如天线方向图的近场分析。此外，所确定的幅度和相位方向图可以例如用于近场到远场转换。然而，可以理解，任何其他应用也是可行的。
19.本发明的其他实施例是从属权利要求和以下参考附图的描述的主题。
20.在可能的实施例中，所述rf电路可以包括加法装置。所述加法装置可以被配置为将测量到的rf波成对地相加。所述rf电路还可以被配置为仅基于相加的rf波的和来确定所述幅度方向图的幅值。
21.所述加法装置可以是用于接收至少两个输入信号并且输出与接收到的输入信号的和相对应的信号的任何种类的适当元件。特别地，所述加法装置可以是用于提供与输入信号的和相对应的输出信号的无源装置，而不使用诸如放大器等的有源部件。特别地，可以在模拟域中执行所述输入信号的相加，而不需要对所述输入信号进行数字化。例如，可以为所述天线布置的三个或四个天线的每一对组合提供单独的加法装置。然而，在四个天线元件的情况下，也可以只提供四个天线中的多个天线。例如，可以只考虑水平或垂直相邻的天线的输出信号以将所述输出信号分别相加。
22.在可能的实施例中，所述rf电路可以包括减法装置。所述减法装置可以被配置为将测量到的rf波成对地相减。所述rf电路还可以被配置为通过将相减的rf波的差除以相加的rf波的对应的和来确定相位方向图的相位值。
23.与所述加法装置类似，所述减法装置也可以由无源部件实现，而不需要诸如放大器等的有源部件。特别地，可以使用加法装置和减法装置的类似配置。因此，对于每种期望的天线组合，可以提供相关的加法装置和减法装置。以这种方式，可以仅基于所述加法装置的结果来确定幅度值，并且可以通过将由所述减法装置提供的差除以由所述加法装置提供的和来确定对应的相位值。因此，在不需要直接测量任何相位的情况下，不仅可以确定幅度而且可以确定相位值。
24.在可能的实施例中，所述rf电路还可以包括功率测量装置。所述功率测量装置可以被配置为确定测量到的rf波的功率值。所述功率测量装置也可以例如仅由无源部件实现，而不需要任何有源元件。任何适当的功率测量装置(例如，功率测量二极管等)可用于测量天线的输出功率。还可以考虑所确定的rf波的功率来确定幅度值和/或相位值。例如，所确定的值可以相对于所确定的功率进行归一化。
25.在可能的实施例中，可以在不参考参考相位的情况下确定幅度方向图和/或相位方向图。如上所述，本发明允许仅通过对rf波进行无相位测量来确定幅度值和相位值。因此，可以基于接收到的rf波来确定幅度值和相位值，而不需要用于接收或传导稳相信号的任何复杂且昂贵的元件。此外，也不需要例如从被测装置、特别是从被测天线接收参考相
位。
26.在可能的实施例中，所述rf电路可以布置在印刷电路板(pcb)上。所述印刷电路板可以直接耦合到所述天线布置。
27.例如，所述pcb上的rf电路的输入端可以被直接焊接到所述天线布置的各个天线的输出端口。如有需要，可在所述天线的输出端口和所述rf电路的对应的输入端口之间仅布置短传导元件，而无需任何附加的有源或无源部件。所述短传导元件可以用于将所述天线和所述rf电路电耦合。根据所述天线布置中的天线的配置和可用空间，也可以将所述rf电路拆分到多个pcb。例如，不同的pcb可以提供用于各天线的不同的组合，或者不同的pcb可以提供用于将所述rf波相加以及用于将所述rf波相减。然而，可以理解，一个或多个pcb上的rf电路的任何其他适当配置也是可行的。
28.在可能的实施例中，多个天线连接到所述rf电路，特别是连接到pcb，而不需要任何附加导线。在这种情况下，所述天线的输出端直接连接到所述rf电路的输入端。例如，可以提供适当的连接器。然而，也可以通过焊接等将所述rf电路直接连接到所述天线。
29.在可能的实施例中，所述天线布置、尤其是所述天线布置的各个天线可以被实施为片上天线装置。例如，用于接收rf波的适当天线结构可以在芯片(例如硅芯片等)上实现。以这种方式，就可以实现一种非常高效的小尺寸的天线配置。
30.在可能的实施例中，所述天线布置和所述rf电路一起被实施为片上系统装置。在这样的配置中，可以在公共芯片上实施所述天线布置的各个天线以及包括用于将所述rf波相加和相减的部件的rf电路。以这种方式，就可以实现非常紧凑和小尺寸的场探测器。
31.在可能的实施例中，所述场探测器包括外壳。所述外壳可以容纳所述天线布置和所述rf电路。例如，所述外壳可以屏蔽所述天线和所述rf电路，使其免受诸如不期望的电磁干扰等外部影响。具有公共外壳中的天线和rf电路的场探测器还可以包括输出端，用于提供与所确定的幅度方向图和/或相位方向图相对应的信号。因此，可以通过标准化的低成本电缆等将与幅度方向图和相位方向图相对应的信号提供给其他装置。因此，不需要诸如专用rf电缆、特别是稳相电缆、rf连接器、放大器、混频器等复杂且昂贵的部件。
32.在可能的实施例中，所述天线布置可以被配置为测量具有直径大于1米的被测装置的辐射方向图。特别地，所述场探测器的天线布置可以测量诸如汽车、飞机、船舶等大型装置。然而，应理解，任何其它装置、尤其是任何种类的大尺寸装置也可由所述场探测器测量。
33.在可能的实施例中，所述rf电路可以被配置为将连续波(cw)信号的rf波相加和相减。附加地或替代地，所述rf电路还可以被配置为将经调制的rf信号的rf波相加和相减。通常，所述rf电路可以被配置为对由所述天线布置的天线接收的任何种类的rf信号执行测量。
34.在可能的实施例中，所述天线布置可以被配置为测量低于6ghz的频率范围内的rf波。特别地，所述天线布置可以被配置为测量5g新型无线电(5g nr)的频率范围1(fr1)中的rf波。然而，所述天线布置和相应的场探测器也可以执行对于其它适当的频率范围(例如，fr2)的测量。
35.通过本发明，可以执行无相位rf测量，特别是用于测量天线方向图等的无相位rf测量。天线测量可以由三个或四个天线中的多个天线执行，其中，所述天线中的每个天线测
14可以接收电磁波，特别是由被测天线110发射的电磁波。天线11-14可以输出与接收到的波相对应的rf信号。
48.如上所述，场探测器还包括rf电路2。rf电路2可以直接连接到天线布置1的天线11-14。例如，每个天线11-14的输出端可以与rf电路2的相应输入端电连接。特别地，在天线11-14的输出端和rf电路2的对应的输入端之间可以不再布置其他元件。但是，如果需要，可以使用一小块rf传导元件(例如，短导线等)将天线11-14的输出端与rf电路2的对应的输入端电连接。如果可行，可以省略这样的附加传导元件。
49.rf电路2可以接收由天线布置1的天线11-14测量到的rf波的信号。基于接收到的波，rf电路2可以根据由天线布置1的天线11-14测量到的rf波来确定用于说明幅度和/或相位的方向图的值。将在下面更详细地描述各个方向图的幅度和相位值的确定。
50.rf电路2可以包括加法装置21和减法装置22。加法装置21可以接收由天线布置1的天线11-14测量到的rf波的信号，并将由天线11-14中的两个天线提供的rf信号分别相加。因此，可以通过加法装置21来执行由天线布置1的天线11-14提供的rf信号的成对相加。例如，可以为rf信号的每个相加操作提供单独的加法单元。特别地，rf信号的相加可以仅通过无源部件来执行。特别地，可以不使用诸如放大器等的有源元件来将rf信号进行相加。因此，加法装置21的每个加法单元可以输出两个接收到的输入信号的和。例如，加法装置21可以输出两个天线11-14的每个组合的和。然而，也可以仅考虑水平或垂直相邻的天线11-14来构建相应的rf信号的和。用于选择适当数目的组合以确定rf信号的和的任何其它方案也可以是可行的。
51.与加法装置21的操作类似，减法装置22也可以接收由天线布置1的天线11-14提供的信号，并分别确定两个rf信号之间的差。还可以通过无源部件而非诸如放大器等的任何有源元件来执行差的确定。由加法装置21生成的rf信号的和以及由减法装置22生成的差可以被提供给确定装置23。确定装置23可以基于提供的rf信号的和以及差来确定幅度值和相位值。例如，确定装置23可以确定幅度值，其可以与来自两个天线11-14的rf信号的各和值分别对应。此外，相位值可以通过将两个天线11-14的信号之间的差值除以来自相应的天线11-14的两个信号的和来确定。以这种方式，可以基于由天线11-14测量到的rf波来确定幅度值和相位值，而不考虑测量到的信号的各个相位。此外，可以仅基于测量到的rf波的和值和差值来确定幅度值和相位值。幅度和相位值的确定可以完全通过无源元件来执行，而不需要任何有源元件。此外，可以在不参考任何参考相位等的情况下确定幅度和相位值。
52.rf电路2还可以包括功率测量装置24，该功率测量装置用于确定测量到的rf波的功率值。例如，可以确定由各个天线11-14提供的每个信号的功率值。为此，功率测量装置24可以包括任何种类的适当部件。特别地，可以完全通过诸如功率测量二极管等的无源元件来执行功率测量。因此，还可以考虑功率测量的结果来确定幅度和/或相位值。例如，可以基于测量到的功率值来归一化幅度值和相位值。
53.因此，确定装置23可以提供适当的方向图，用于表征由天线布置1的天线11-14测量到的rf波的幅度和/或相位。例如，可以提供根据天线布置1的天线11-14配置的2x2方向图。然而，任何其他适当的方向图也是可行的。特别地，如果仅三个天线11-14可以用在天线布置1中，则可以相应地调整天线方向图的配置。
54.幅度值和相位值的结果可以由rf电路2的输出端25提供。例如，所有确定的幅度值
和相位值的结果可以被组合成单个信号，并在rf电路2的输出端口提供。然而，rf电路2的输出端25也可以包括多个端口。例如，可以为每个确定的幅度或相位值提供单独的输出端口。为幅度和相位确定的值可以例如通过与确定的值分别对应的模拟信号来提供。然而，提供确定的值的任何其它方案也是可行的。例如，确定的值也可以由脉宽调制信号等提供。由于为幅度和相位确定的值可以用仅具有低频分量的信号提供，因此对于将rf电路2的输出端与另一测量装置200连接的信号线210，不必考虑专用的要求。特别地，不需要专用的rf电缆，特别是不需要相位稳定电缆来连接场探测器与测量装置200。
55.基于为幅度和相位确定的值，可以执行任何种类的适当分析。例如，确定的值可以用于分析被测天线110的辐射方向图。特别地，可以测量被测天线110的近场。由于可以确定测量到的天线方向图的幅度值和相位值，因此该结果也可以例如用于近场到远场的转换。
56.场探测器可以用于测量任何种类的rf波。特别地，可以测量由被测装置100的天线110发射的连续波信号的rf波。然而，也可以将场探测器的测量应用于经调制的信号。
57.场探测器可以用于测量任何适当范围内的幅度和相位。为此，诸如天线11-14的各个部件的配置和用于rf电路2的部件的特性可以被调整到期望的频率范围。例如，场探测器可以用于测量至高6ghz的频率范围内的电磁波。特别地，场探测器可以用于测量5g新型无线电(5g nr)的频率范围1(fr1)中的信号。然而，也可以在任何其它适当的频率范围(例如，5g nr的fr2)中执行测量。
58.场探测器可以例如通过传统的离散部件来实现。如上所述，期望将天线阵列1的天线11-14与rf电路2直接连接。然而，也可以使用例如所谓的片上天线装置。因此，用于天线布置1的天线11-14的配置可以在例如硅波器(silicon waver)等的单芯片载体的布置上实现。
59.此外，甚至可以通过单个片上系统布置来实现天线阵列1和rf电路2的整体布置。在这样的片上系统布置中，天线布置1和rf电路2的部件可以全部在单个芯片上(例如，在公共硅波器上)实施。
60.如上所述的场探测器可以用于测量发射电磁波的任何种类的被测装置110的辐射方向图。例如，场探测器可以用于测量诸如基站或移动通信装置的通信系统的天线或天线系统的天线方向图。然而，也可以使用场探测器来测量任何其他装置的电磁特性。例如，可以测量诸如汽车、卡车、船舶、空运装置(诸如，飞机)、卫星、或发射电磁波的任何装置等的大尺寸装置的电磁特性。特别地，可以测量具有大尺寸(例如，直径大于1m、大于2m、大于5m或者甚至大于10m的尺寸)的装置的电磁特性。
61.图2示出了根据实施例的场探测器的示意图。如在该图中可以看出，天线布置1可以包括具有几乎为正方形的形状的四个天线11-14。天线11-14可以共享公共中心点15。如上所述，天线11-14可以在该共享的中心点15处电耦合。除此之外，场探测器包括一个或多个rf电路2，这些rf电路2直接连接到天线11-14。因此，不需要附加的电缆连接来连接天线11-14的输出端口与rf电路2的输入端口。rf电路2的结果(即，确定的幅度和相位)可以通过适当的输出端口25提供给另一测量装置200。如上所述，可以使用简单的信号线将rf电路2的输出端口25与测量装置200连接。
62.图3示出了根据实施例的天线布置1的示意图。如上所述，天线布置1可以包括三个或四个天线11-14。尽管优选地可以使用四个天线元件11-14，但是也可以通过如图3所示的
仅三个天线11-13来实施场探测器。因此，这种具有仅三个天线11-13的配置也允许在水平和垂直方向上确定幅度和相位值。然而，应该理解，根据图1至图3的示例中示出的天线11-14的配置不限制本发明的范围。此外，具有三个或四个天线11-14的天线布置1的任何其他适当的配置也可以是可行的。
63.图4示出了根据实施例的用于进行天线测量的方法的流程图。该方法可以包括用于执行如上所述的与场探测器相关的操作的任何步骤。因此，上述场探测器可以包括用于执行如下文所述的与该方法相关的操作的任何种类的元件。
64.用于进行天线测量的方法、特别是用于通过无相位测量来进行天线元件测量的方法可以包括用于测量射频波的步骤s1。rf波可以由包括三个或四个天线中的多个天线的天线布置来测量，其中，多个天线共享公共中心点15。
65.该方法还可以包括将测量到的rf波相加的步骤s2和将测量到的rf波相减的步骤s3。特别地，测量到的rf波可以被成对地相加和相减。
66.此外，该方法可包括用于确定被测装置的幅度方向图的步骤s4。附加地或替代地，步骤s4可以确定被测装置100的相位方向图。可以基于相加的rf波和相减的rf波的结果来确定幅度方向图和/或相位方向图。
67.总之，本发明提供了一种用于通过无相位测量来进行天线测量的场探测器。具有三个或四个天线的天线布置测量rf波。测量的rf波被成对地相加和相减。根据加法和减法运算的结果，确定幅度方向图和相位方向图。这样，可以通过完全无源装置来确定由被测装置发射的电磁波的幅度和相位方向图。
68.在前面的详细描述中，出于简化本公开的目的，在一个或多个示例或实例中将各种特征组合在一起。应当理解，上述描述是说明性的，而不是限制性的。其旨在涵盖本发明范围内可能包括的所有替代方式、修改方式、和等效方式。对本领域技术人员来说，在回顾上述说明之后，许多其他示例将是显而易见的。
69.上述说明中使用的特定术语用于提供对本发明的透彻理解。然而，根据本文提供的说明，对于本领域技术人员来说，为了实施本发明也可以不需要一些具体细节将是显而易见的。因此，出于说明和描述的目的，呈现本发明的特定实施例的前述描述。它们并非旨在穷尽或将本发明限制于所公开的精确形式；显然，鉴于上述教导，许多修改方式和变化方式是可行的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和各种实施例，并对其进行各种修改，以适合所设想的特定用途。在整个说明书中，术语“包括”和“其中”分别用作相应的术语“包含”和“在其中”的简明英语等同词。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并不用于对其对象施加数值要求或建立某种重要性排序。
70.附图标记列表
[0071]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
天线布置
[0072]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
rf电路
[0073]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外壳
[0074]
11-14
ꢀꢀ
天线
[0075]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀ
中心点
[0076]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀ
加法装置
[0077]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀ
减法装置
[0078]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀ
确定装置
[0079]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀ
功率测量装置
[0080]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀ
输出端
[0081]
100
ꢀꢀꢀꢀ
被测装置
[0082]
110
ꢀꢀꢀꢀ
被测天线
[0083]
200
ꢀꢀꢀꢀ
测量装置
[0084]
210
ꢀꢀꢀꢀ
信号线
[0085]
s1..s4 方法步骤