为用于有源及无源天线空中测试的紧凑消声腔室提供天线探针阵列的方法

摘要

所公开的示例性装置、系统和方法提供同步天线探针阵列的至少两种实现方式。这些天线探针阵列可用于在紧凑消声腔室中生成和接收RF信号，以用于空中天线测试或诸如远场天线测试腔室的其它应用。一种用于空中天线测试的紧凑消声腔室可以至少包括：腔室壳体；可互换的辐射测试板，其与所述腔室成一体；多个吸收材料，至少部分地衬于所述腔室的内部并且能够引导所述辐射；至少一个可移动推车，其适于从所述腔室移动和移除所述天线；至少一个面板接口，用于将所述天线与测试设备互连，其中，所述天线对所述辐射的响应通过所述面板接口被传送到所述测试设备；以及至少一个开关矩阵，用于多路转换测试信号中的部分信号。

说明书

本申请要求2019年3月22日申请的名称为“METHOD FOR PROVIDING A COMPACTANECHOIC CHAMBER FOR ACTIVE AND PASSIVE ANTENNA OVER-THE-AIR TESTING”的美国申请号16/362,409的优先权的权益，该申请要求于2018年9月11日申请的名称为“METHOD FORPROVIDING A COMPACT ANECHOIC CHAMBER FOR ACTIVE AND PASSIVE ANTENNA OVER-THE-AIR TESTING”的美国临时申请号62/729,687的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文，如同其整体被阐述一样。

技术领域

本公开涉及天线测试，并且更具体地，涉及用于提供用于在紧凑消声腔室中进行有源和无源天线空中测试的天线探针阵列的装置、系统和方法。

背景技术

无线网络中的远程无线电头(RRH)是远程无线电收发器，其例如经由诸如无源天线的无线接口连接到操作者无线电控制面板。在诸如GSM/CDMA、UMTS、LTE和5G新无线电(NR)系统的无线系统中，RRH设备分别远离基站收发信台(BTS)/NodeB/eNodeB。BTS/NodeB/eNodeB(在下文中统称为“BTS”)是促进用户设备与相应无线网络之间的无线通信的设备。RRH设备用于扩展BTS的覆盖范围。

RRH是许多电流分布式BTS的重要子系统。RRH包含BTS的RF电路、模数/数模转换器、上/下变频器、操作和管理处理能力以及标准化接口，以及各种其它部分。与无线网络中使用的大多数无源天线相比，有源天线系统(AAS)是包含有源电子部件的天线。AAS允许有限大小的天线与无源天线相比具有特定频率范围(即，带宽)和天线方向图(pattern)。

用于天线的波束成形可以由有源天线部件来提供。例如，有源部件可以至少包括阻抗转换级和可选的放大级。

例如，无线工业近来已经从RRH转向AAS。在2017年的12月，3GPP标准团体发布了官方AAS标准。典型RRH和AAS天线系统之间的差异参照图1进行说明。

发明内容

所公开的示例性装置、系统和方法提供同步天线探针阵列的至少两种实现方式。这些天线探针阵列可用于在用于空中天线测试的紧凑消声腔室中产生和接收RF信号，或用于诸如远场天线测试腔室的其它应用。一种用于空中天线测试的紧凑消声腔室可以至少包括：腔室壳体；可互换的辐射测试板，其与所述腔室成一体；多个吸收材料，至少部分地衬于所述腔室的内部并且能够引导所述辐射；至少一个可移动的推车，其适于从所述腔室移动和移除所述天线；至少一个面板接口，用于将所述天线与所述测试设备互连，其中，所述天线对所述辐射的响应通过所述面板接口被传送到所述测试设备；以及至少一个开关矩阵，用于多路转换测试信号中的一些信号。

附图说明

所公开的非限制性实施例是关于附图来讨论的，附图形成了本发明的一部分，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是实施例的各方面的图示；

图2是实施例的各方面的图示；

图3是实施例的各方面的图示；

图4是实施例的各方面的图示；

图5是实施例的各方面的图示；

图6是实施例的各方面的图示；

图7是实施例的各方面的图示；

图8是实施例的各方面的图示；

图9是实施例的各方面的图示；

图10是实施例的各方面的图示；以及

图11示出了示例性计算系统。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似设备、系统和方法中发现的其他方面。因此，本领域技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的设备、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是已知的，并且因为它们不促进对本公开的更好理解，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开被认为仍然包括本领域普通技术人员已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变化和修改。

在全文中提供实施例，使得本公开充分彻底并且将所公开的实施例的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体部件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且可以以不同的形式来实施例。因此，实施例不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施例中，可能不详细描述公知的工艺、公知的器件结构和公知的技术。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是旨在进行限制。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所揭示方面或与所揭示方面结合。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，除非另外清楚地指出，否则其可以直接在另一元件或层上、接合到、连接到或联接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

此外，尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

如上所述，AAS比使用无源天线的RRH系统具有更大的复杂度。例如，AAS可以具有比RRH多10-20倍的发射/接收路径；可以包括集成的较低物理层设计，其具有用于蜂窝无线电信道的判决反馈均衡，以及单个单元中的无线电设备和天线——所有这些都需要复杂的焊接和组装；必须使用大的印刷电路板(PCB)；需要测试天线辐射和波束形成方向图(beamforming patterns)；使用显著的供应功率；并且需要针对特定使用情况进行校准。关于典型AAS 200中的PCB 202、天线204和电源206，关于图2示出了这些复杂性中的几个，然而，尽管如上所述，在最近最终确定的5G和3GPP的天线规范中采用AAS，但是如上所述,当前并没有能够便捷地测试AAS特有的许多复杂性的解决方案。

天线的空中(OTA)测试被设计成测试天线通过空气的辐射特性。尽管对于大多数无线通信应用，例如BTS中使用的那些应用，天线的远场特性是最重要的关注点，但是出于成本和效率的原因，典型地，上面提到的许多复杂性选择在近场中测试，并且仅从近场测试数据中导出和近似计算出远场特性。这在很大程度上是由于缺乏上述所述的合适的远场测试系统。

更具体地，在已知技术中远场天线特性的测试所需的腔室尺寸大约比近场腔室大10倍，并且大约比在当前实施例中公开的远场测试腔室大10倍。仅占用面积这一项就可能使得这种测试在现有无线电产品的快速生产线技术中不可操作，这是实施例中补救的缺点。

此外，在可用的程度上，在已知技术中更紧凑的测试腔室通常仅包括一种类型的测量探针或非常少的测量探针。如本领域技术人员将理解的，在已知技术的这种紧凑腔室中的测试因此非常慢，对于许多测试特性而言是非常不够的，不足以测量前面提到的远场特性中的大多数复杂性，并且需要手动移动测试中的天线。

由于可用测试的上述不足，天线系统制造商通常完全避免在生产期间测试天线的OTA性能。更不用说，在安装时，特别是在独特的使用场景和环境中，这导致天线的高故障可能性，或者至少不可被接受的较差性能。当然，这增加了部署之后的高代价产品召回和/或移除和更换的可能性。

图3示出了具有最大尺寸D的AAS天线阵列308的远场302与感应近场304以及辐射近场306的关系，关于图3，λ＝c/f是天线的发射/接收信号的波长，R是辐射场范围。

更具体地说，实施例提供了一种测试室，例如紧凑的无回声测试腔室，其适于在大约1.8Ghz-6 Ghz的测试频率范围内测试AAS和无源天线的至少上述特性。实施例至少包括近场和远场测试腔室，其在总占地面积上足够小以允许沿着常规无线电产品生产线安装多个组。

作为示例，在所公开的测试腔室中提供的测试可以包括：无回声辐射和波束形成覆盖测试用于：3D远场方向图(共极和交叉极)；方向性；半功率波束宽度；视轴方向；峰值旁瓣电平分布和RMS旁瓣电平；寄生信号产生；切换时间扫描波束；以及有效辐射功率(ERP)。测试腔室可以包括适于测试上述特性的多个探针，并且这些多个探针可以被组织成阵列并且被链接到多通道仪器平台(例如，任意波形生成器、频谱分析仪和/或网络分析仪)。

测试腔室可以包括例如平面或圆柱形测试阵列组合结构。更具体地说，腔室的尺寸和形状可以被设计成容纳一个或多个机构，以将具有重达或重于100Kg以及在大约1.5m*0.8m*0.3m范围内的性能的被测天线(AUT，Antenna Under Test)移入和移出腔室以进行测试。该机构还可选地被包括用于锁定AUT和上面提到的所应用的多通道探针之间的相对位置。

图4示出了具有平面探针阵列402的示例性测试腔室400的侧视图。腔室的内壁可以覆盖有RF吸收材料404，例如可以是无回声的。RF信号探针(以及相关的其它类型的探针)被布置在2D探针阵列402中，该阵列可以大于AUT 408。

AUT 408可以位于推车410上，该推车410在至少两个推车轨道412上滑入和滑出腔室400，该布置允许AUT 408物理放置在探针阵列下方。AUT408可以沿着推车轨道412移入和移出，并且可以容易地和精确地锁定在固定位置。

电缆槽/接口414允许天线408的电缆从腔室400引出到外部测试设备，和/或可允许测试设备电缆永久附接到腔室。此后，天线408的电缆可以简单地与测试设备相关联，诸如通过作为所示电缆槽414的一部分的腔室内的多个端口，使得由探针阵列402的致动产生的测试数据可以从天线或从腔室内的传感器传递到腔室外的测试设备。

推车沿着轨道的移动、探针阵列的致动和/或电缆槽测试数据的监测可以由一个或多个软件程序1190执行，如本文所讨论的，例如可以在一个或多个控制系统1100的控制下。控制系统1100可以本地或远程地存储或发送数据以便累积，这对于本领域技术人员来说是可以理解的。

图5示出了平面测试腔室400的顶视图。如图所示，探针阵列402可以包括至少部分地可拆卸和/或可互换的面板402a。因此，可以将可替换的探针阵列面板402a和/或其部分接入和切换出腔室400，以便适当地测试各种不同的天线408，例如通过在每个探针面板上配有不同的探针间距或探针类型以用于不同的AUT。

图6示出了平面测试腔室400实施例的后视图。注意，尽管如上所述，推车/AUT410、408的移动和锁定可以是自动的或手动的，但是门610可以被包括在腔室400的任一端或两端，如图所示。这些门610可以允许容易地接近和装载/卸载AUT 408和/或腔室内部的电路，包括面板/电缆槽414。

图7是根据实施例的圆柱形测试腔室700的图示。如图7所示，圆柱形测试腔室700也可以提供用于AUT 408的推车710和推车轨道712，不过是以围绕AUT 408的方式提供半圆形/球形/圆柱形布局的探针阵列702。圆柱形测试腔室700可以允许在宽范围的特性和频率上并且以更高的精度测试AUT。图8示出了根据实施例的测试腔室800可以是可移动的，例如通过轮子802和与其相关联的轮轴804，例如在其下部。

用于OTA天线测试的现有解决方案通常基于单个或几个测量探针，如上所述，和/或基于单个测试源/接收机。因此，天线辐射特性的测试至少通常涉及AUT在各种天线探针周围和下方的大范围移动，这导致AUT测试时间较长以及执行测试所需的大型且昂贵的机械设备。相反，如全文所述，实施例提供了一种天线测试探针阵列，其具有在单个覆盖区域中同时捕获/发射各种RF信号的能力。

更具体地说，所公开的在全文中讨论的天线探针阵列(APA，Antenna ProbeArray)可以包括处于2D表面或3D表面上以阵列形式布置的射频辐射元件的集合(或各种可互换的子集)。所公开的APA元件在APA所覆盖的几何空间中的多个位置处通过空气发射或接收电磁波。这些发送和接收可以是不同步的、所选探针是同步的、或所有探针是同步的，诸如响应于由全文所述的控制系统1100执行的算法1190。

一种APA控制系统1100，根据实施例：可以允许所有探针连接到RF发射器或接收器，例如通过RF开关，用于天线辐射或接收性能测试；在APA与信号生成和信号测量仪器之间(其可以互连到或通过全文所述的接口面板/槽连接)可以具有两个(或更多个)RF开关矩阵，该开关矩阵可以允许测试系统一次仅激活APA的一部分，或者同时激活所有探针；可以使用来自控制系统的经过所有探针的校准路径来同步探针的发送和接收；并且可以将探针连接到多通道任意波形生成器(AWG)或信号分析器，该信号分析器能够从正交(IQ)基带波形生成和捕获RF信号和/或将RF信号生成和捕获到正交基带波形，或者可以将探针连接到低成本噪声源和功率计的阵列。

产生这种测试的设备可以至少部分地在测试腔室的外部，如本文所讨论的。同样，指示对天线的测试结果的数据可在腔室外部产生，例如使用本文所论述的接口槽。

上述操作通常由与APA通信关联的基于处理器的控制系统1100来执行。作为非限制性示例，APA的电气功能可以利用单独的信号生成分析装置或者利用集成的多信道收发器来实现。

图9是具有单独的信号生成器902和接收/分析仪904的APA测试系统900的框图。在该示例性实施方案中，阵列中有N个探针。N个探针连接到N个RF开关，用于发射(Tx)和接收(Rx)测试选项。开关将探针与用于AUT的接收机性能测试的信号生成仪器连接，或者与用于AUT的发射器性能测试的信号分析仪器连接，例如可以位于接口槽的相对侧。

图9示出了在探针与信号生成分析仪器之间的两个RF开关矩阵906a、b。M个输入和N个输出(M×N)开关矩阵允许来自信号生成器的M个信号被路由到N个探针阵列中的任意选择的M个探针。类似地，N个输入和L个输出(N×L)矩阵允许来自探针阵列的选定的L个信号被路由到L个信号分析器。前述切换、生成和捕获动作可以由前述基于处理器的控制系统1100来控制。

为了对有源探针实现同步的信号发送或接收，串行反馈网络可以耦合所有探针处的信号。该反馈网络可以通过一系列，例如四个校准端口连接到信号生成模块和信号分析模块。从AWG到探针并且通过反馈耦合网络到信号数字转换器上的两个端口的每个发射路径可以形成两个闭环。在一些实施例中，通过控制传输开始时间和捕获开始时间，利用所传输的数据和所捕获的数据之间的相关性，可以估计传输信号通过环路所需的时间。由于发射信号经过相同的反馈路径，因此可以在信号生成器中估计和补偿发射路径之间的差异。

类似地，从AWG上的两个Rx校准端口通过反馈耦合网络到每个探针以及到信号数字转换器上的接收路径的信号可以形成两个闭环。在示例性实施例中，通过从Rx校准端口发送校准数据并在数字转换器处捕捉该数据，可以估计信号行进通过环路所需的时间。由于校准数据经过相同的校准路径到达探针阵列，因此可以在信号数字转换器中估计和补偿接收路径之间的差异。值得注意的是，在一些实施例中，前述内容可能需要AWG和信号数字转换器共享相同的参考时钟，以允许数据传输和捕获的前述同步。

图10是具有以多通道收发器1002作为其信号生成分析模块的APA测试器1000的框图。在这种情况下，阵列中的N个探针连接到M×N的RF开关矩阵1004，以允许M个信号从收发器传输到探针阵列中的任意所选M个探针。在收发器模块中，有M个RF开关，以将外部信号与发送器或接收器连接，用于AUT的Rx或Tx性能测试。前述切换、生成和捕获动作可由基于处理器的控制系统来控制。Tx和Rx路径的同步和校准可以如上所述地执行。

图11描绘了与本文描述的系统和方法结合使用的示例性计算系统1100。计算系统1100能够执行软件，例如操作系统(OS)和/或一个或多个计算应用/算法1190，例如应用这里讨论的测试算法的应用，并且可以使用数据来执行这样的应用1190，所述数据例如材料和与处理有关的数据，其可以被本地或远程地存储1115。

更特别地，示例性计算系统1100的操作主要由算法1190控制，该算法包括计算机可读指令，诸如存储在计算机可读存储介质中的指令，该计算机可读存储介质诸如硬盘驱动器(HDD)1115、诸如CD或DVD的光盘(未示出)、诸如USB“拇指驱动器”的固态驱动器(未示出)等。这些指令可以在中央处理单元(CPU)1110内执行，以使计算系统1100执行贯穿本文所讨论的操作。在许多已知的计算机服务器、工作站、个人计算机等中，CPU 1110在称为处理器的集成电路中实现。

可以理解，尽管示例性计算系统1100被示为包括单个CPU 1110，但这种描述仅是说明性的，因为计算系统1100可包括多个CPU 1110。另外，计算系统1100可以例如通过通信网络1170或一些其它数据通信手段来利用远程CPU(未示出)的资源。

在操作中，CPU 1110从计算机可读存储介质，例如HDD 1115，获取、解码和执行指令。这样的指令可以包括在软件中，例如操作系统(OS)、诸如上述相关应用的可执行程序等。诸如计算机指令和其它计算机可读数据的信息经由系统的主数据传输路径在计算系统1100的组件之间传输。主数据传输路径可以使用系统总线体系结构1105，尽管可以使用其他计算机体系结构(未示出)，诸如使用串行器和解串器以及纵横开关以通过串行通信路径在设备之间传送数据的体系结构。系统总线1105可以包括用于发送数据的数据线、用于发送地址的地址线、以及用于发送中断和用于操作系统总线的控制线。一些总线提供总线仲裁，该总线仲裁通过扩展卡、控制器和CPU 1110来调节对总线的访问。

耦合到系统总线1105的存储器设备可以包括随机存取存储器(RAM)1125和/或只读存储器(ROM)1130。这种存储器包括允许存储和检索信息的电路。ROM 1130通常包含不能被修改的存储数据。存储在RAM 1125中的数据可以由CPU 1110或其它硬件设备读取或改变。对RAM 1125和/或ROM 1130的访问可以由存储器控制器1120控制。存储器控制器1120可以提供地址转换功能，其在执行指令时将虚拟地址转换成物理地址。存储器控制器1120还可以提供存储器保护功能，该功能隔离系统内的进程并且将系统进程与用户进程隔离。因此，在用户模式下运行的程序通常只能访问由其自身进程虚拟地址空间映射的存储器；在这种情况下，程序不能访问另一进程的虚拟地址空间内的存储器，除非已经建立了进程之间的存储器共享。

此外，计算系统1100可以包含外围通信总线1135，其负责将指令从CPU 1110传送到外围设备和/或从外围设备接收数据，所述外围设备诸如外围设备1140、1145和1150，其可以包括打印机、键盘和/或本文通篇讨论的传感器。外围总线的一个例子是外围部件互连(PCI)总线。

由显示控制器1155控制的显示器1160可以用于响应于上述计算程序的操作，显示由计算系统1100生成的或应其请求而生成的视觉输出和/或其他呈现，诸如以GUI的形式。这样的视觉输出可以包括例如文本、图形、动画图形和/或视频。显示器1160可以用基于CRT的视频显示器、基于LCD或LED的显示器、基于气体等离子体的平板显示器、触摸面板显示器等来实现。显示控制器1155包括产生发送到显示器1160的视频信号所需的电子组件。

此外，计算系统1100可以包含网络适配器1165，网络适配器1165可以用于将计算系统1100耦合到外部通信网络1170，通信网络1170可以包括或提供对因特网、内联网、外联网等的访问。通信网络1170可以向计算系统1100提供用户访问，以电子的方式通信和传送软件和信息的装置。另外，通信网络1170可以提供分布式处理，分布式处理涉及若干计算机以及在执行任务时的工作量或协作工作的共享。可以理解，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算系统1100和远程用户之间建立通信链路的其它手段。

网络适配器1165可以使用任何可用的有线或无线技术来与网络1170进行通信。作为非限制性示例，这样的技术可以包括蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、红外等。

可以理解，示例性计算系统1100仅示出了此处所描述的系统和方法可在其中操作的计算环境，并且不限制此处所描述的系统和方法在具有不同组件和配置的计算环境中的实现。也就是说，本文描述的发明概念可以在使用各种组件和配置的各种计算环境中实现。

在上述详细描述中，为了本公开的简洁，各种特征可以在各个实施例中组合在一起。这种公开方法不应被解释为反映了任何随后要求保护的实施例需要比明确记载的特征更多的特征的意图。

此外，提供本公开的描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施例。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其它变化。因此，本公开内容并不旨在局限于本文所描述的示例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。