專利名稱：混合反射計系統(tǒng)(hrs)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能夠測量包括天線且尤其包括電小天線(ESA)的射頻(RF)組件的正向信號參數(shù)和反向信號參數(shù)的RF信號測試與測量系統(tǒng)，并且更具體地，涉及能夠被集成在通信系統(tǒng)內(nèi)以輔助天線的自動重新調(diào)諧的RF測試與測量系統(tǒng)。
背景技術：
在開發(fā)RF設備時，獨立地或在集成系統(tǒng)內(nèi)測試RF組件(諸如天線)以驗證它們的實際性能是必要的。測量天線性能通常通過將天線連接到反射計來實現(xiàn)。這允許個人使用網(wǎng)絡分析儀測量天線的散射參數(shù)(S-參數(shù))大小(magnitude)，但是將來自輻射裝置的不可預測的損耗算在內(nèi)的校準是有問題的。這對于ESA尤其有問題，因為從天線反射回來的能量用作返回到測量系統(tǒng)的共模電流。在校準過程中不能解釋這種不可預測的影響。嵌入諸如移動電話的主機中的天線一般是電小的。電小天線通常被認為表示當天線在它的最高操作頻率操作時該天線具有不大于λ/10的尺寸。此外，這些嵌入式ESA對于周圍環(huán)境敏感且易于失諧。在測試期間，例如，如果測試系統(tǒng)被放置得太靠近天線，則由于比如RF輸入線纜的組件的使用，該測試系統(tǒng)可能用作寄生元件。因此，由于這種失諧效應，與不同環(huán)境中的主機進行通信變得極其困難。存在使用測量系統(tǒng)來測量ESA的輻射效率的多種方法。迄今為止，模式集成 (pattern integration)是當前用于測量ESA的絕對輻射效率的最精確的方法。然而，該方法是最復雜和耗時的方法，需要經(jīng)校準的范圍(range)或消聲室。在實踐中，難以在500MHz 以下的頻率實現(xiàn)。如果天線的遠場具有復模式或復雜的極化，則該方法會更為復雜。Q因子方法使用無損天線的質(zhì)量因子的理論值；在天線不是簡單結(jié)構(gòu)的情況下， 可能難以獲得該理論值。還假設當在天線或其周圍環(huán)境中做出改變時，天線上的電流分布的形式保持不變。電阻比較方法需要兩個天線，這兩個天線被構(gòu)造為是相同的但具有不同的金屬。 假定兩個金屬的導電性的差異是小擾動且假設它們的歐姆電阻不同。該方法還假設金屬的導電性和操作頻率很高。做出這些假設，從而使用表面電阻的概念來確定輻射電阻。此外， 與Q因子方法一樣，該方法也假設當在天線或其周圍環(huán)境中做出改變時，天線上的電流分布的形式保持不變。輻射測量方法基于如下原理定向在低噪聲區(qū)域的有損耗天線將生成比定向在同一區(qū)域的無損天線更多的噪聲功率。天線中的損耗可以被看作為環(huán)境溫度的噪聲源。該方法不適于名義上具有全向輻射模式的天線，諸如ESA。當定向到低噪聲區(qū)域(即，頂點處天空)時，這類天線從可能更熱的地平線(horizon)接收輻射，因而增加了測量不確定性。因此，對于具有筆形波束型輻射模式的高增益天線，該方法是有用的。該方法還需要高質(zhì)量放大器和具有良好噪聲指數(shù)的混合器，它們必須靠近天線安裝以避免會增加噪聲的附加組件。易于漂移的放大器增加了測量不確定性。此外，天線必須與源阻抗匹配以避免增加系統(tǒng)噪聲。
隨機場測量(RFM)方法基于如下統(tǒng)計理論，該統(tǒng)計理論假設由未知天線和參考天線接收的信號遵循瑞利分布(Rayleigh distribution)。該技術用于測量當與人體靠得很近時天線的輻射效率。測量過程的統(tǒng)計性質(zhì)導致它比其它常規(guī)方法更加耗時。量熱(calorimetric)方法基于對所耗散的功率而不是所輻射的功率的測量。該量熱方法被認為是下面描述的模式集成的低成本另選方案和惠勒帽(Wheeler cap)方法的替代方案。然而，測量過程比惠勒帽方法更加復雜。盡管測量所需的設備比模式集成方法相對較便宜，但是與使用惠勒帽方法相比，它仍相當昂貴。混響室方法被認為是模式集成方法的較便宜的另選方案。使用模式和平臺攪動在金屬室內(nèi)部設置多路徑環(huán)境。然后，使用統(tǒng)計分析確定天線的輻射效率。通過以恒定和已知的速度旋轉(zhuǎn)的金屬槳調(diào)制室內(nèi)部的模式。為了獲得改善的測量精確度，測試下的天線(也稱為平臺)也旋轉(zhuǎn)。該方法基于混響室中的平均接收功率與測試天線的輻射效率成正比的假定。反射方法檢查在天線和反射構(gòu)件(reflecting short)之間的距離變化時天線的反射系數(shù)。在操作橫向電TE 10模式的矩形波導中執(zhí)行該測量。該方法可以被視為是惠勒帽方法的擴展，然而，其過程更加復雜且需要具有高質(zhì)量滑動構(gòu)件的稍微復雜的波導設置。 額外的益處在于天線損耗被建模，而不管它們是否由串聯(lián)電阻器、并聯(lián)電導或非簡單的天線結(jié)構(gòu)組成。輻射屏蔽方法是導電殼形式的輻射屏蔽的概念，弧度球面(radian sphere) 的大小源于 H. Wheeler 在 1959 年發(fā)表的文章("The radiansphere around a small antenna，，，proceedings IREE Australia, vol. 47, pp. 1325-1331, Aug. 1959)，在該文章中他聲明，對于電小天線，輻射屏蔽能夠?qū)崿F(xiàn)輻射電阻和損耗電阻的單獨測量。這種測量輻射效率的方法現(xiàn)在被稱為經(jīng)典的惠勒帽方法且被廣泛地使用，因為該方法在實踐中容易實現(xiàn)，僅需要輸入阻抗的兩次測量?；堇彰狈椒ńＴ诘刃Т?lián)RLC電路上，其可能不是針對所有天線(諸如微帶天線)的情況。因此，W. McKinze提出了修改的惠勒帽方法(“A modified wheeler cap method for measuring antenna efficiency”，IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 4, pp. 542-545, Jul 1997)，該方法使天線的輸入阻抗接近與串聯(lián)或并聯(lián)RLC電路模型近似諧振。在該方法中，天線被放置在導電球或半球中，天線放置在地平面上。該球被稱為“惠勒帽”且用于通過確保所有輻射能量被反射而防止輻射，因而測量的阻抗是由于天線中的損耗而導致的。先前，由于在測量系統(tǒng)的輸入和輸出處存在RF干擾，因此惠勒帽測量是困難的。本發(fā)明的目標在于將被測量的 RF組件隔離，因此極大地改善了信號測量的精確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電小反射計RF測試與測量系統(tǒng)(由于使用的數(shù)字和模擬組件，此處稱為混合反射計系統(tǒng)或HRQ，該系統(tǒng)能夠測量包括ESA的RF組件的正向信號參數(shù)和反向信號參數(shù)，但是與該組件隔離，以此方式防止寄生效應。另一個目的是可以將 HRS集成到例如天線系統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，以在各種條件和環(huán)境內(nèi)操作的情況下實現(xiàn)天線的
重新調(diào)諧。因此，本發(fā)明提供一種測試與測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于測量通過電小輻射元件發(fā)射或接收的射頻信號，該電小輻射元件包括電小反射計，其中以光學數(shù)字信號的形式提供來自所述電小反射計的輸出。此處使用的電小反射計是指該反射計比諸如ESA的電小輻射元件電小。當前，在本領域中，來自反射計的輸出總是模擬信號。網(wǎng)絡分析儀例如將采取模擬信號且在將該信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式之前進一步對該信號進行處理。這意味著在反射計的輸出上存在RF組件，這些RF組件能夠通過反射計干擾信號的測量。結(jié)果，必須引入誤差校準。通過將來自電小反射計的輸出立即轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，本發(fā)明能夠防止被測量的信號的RF干擾并且因此增加準確性。因此這樣就去除了對誤差校準的需求。實現(xiàn)此點的一個方法是構(gòu)造具有射頻雙向耦合器的電小反射器并且將該電小反射器電連接到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，通過采取數(shù)字信號輸出且通過光學數(shù)據(jù)發(fā)射器模塊發(fā)射該數(shù)字信號輸出，能夠?qū)⑴c天線有關的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成光學格式。能夠經(jīng)由光學數(shù)據(jù)接收器(光纖鏈路) 向個人計算機(PC)發(fā)射光學數(shù)據(jù)發(fā)射器模塊的輸出。這樣確保能夠使用PC分析天線信號而無需使用RF線纜。而且，如果將光學到RF模塊添加到電小反射計的輸入，則光纖線纜能夠向光學到RF模塊輸入信號，消除了對RF饋電線纜的需要。這允許在不折衷天線的RF特性的情況下測量待實現(xiàn)的正向天線傳輸特性和反向天線傳輸特性。換句話說，天線現(xiàn)在與輸入和輸出RF干擾完全隔離，所以將進一步改善測量的精確性。本發(fā)明能夠在消聲室或惠勒帽中使用以測量射頻信號，而無需使用RF饋電線纜， 這消除了由于所采取的測量導致的不利RF影響。本領域技術人員將意識到本發(fā)明可以與其它測量技術一起使用，諸如前面描述的測量技術。本發(fā)明能夠有利地與諸如RF放大器或濾波器的RF裝置一起使用，以提供對該裝置的阻抗匹配測量，這在反饋回路內(nèi)將會是有用的。RF測量系統(tǒng)能夠在RF組件的端子處測量正向信號參數(shù)和反向信號參數(shù)二者，以在測量過程期間顯著地減小共模電流的影響，并且系統(tǒng)不作為寄生，該RF測量系統(tǒng)可以被集成到通信系統(tǒng)的反饋回路中。該測量系統(tǒng)將能夠檢測由于影響天線的環(huán)境改變而出現(xiàn)的信號誤差，并且將檢測到的誤差輸入到諸如自動天線匹配單元(AAMU)的裝置中，以輔助天線的自動重新調(diào)諧。


現(xiàn)在將參考附圖通過示例的方式描述本發(fā)明，在附圖中圖1示出HRS系統(tǒng)網(wǎng)絡圖；圖2示出簡化的HRS系統(tǒng)網(wǎng)絡圖；圖3示出HRS信號流圖；圖4示出HRS系統(tǒng)組件圖；圖5示出用于測量在正向方向中發(fā)射的功率的HRS特性設置；圖6示出HRS的測量反射系數(shù)；圖7示出HRS的測量透射系數(shù)；圖8示出HRS散射參數(shù)設置；圖9示出在正向方向中輸出數(shù)據(jù)功率對輸入功率的線性；圖10示出在反向方向中輸出數(shù)據(jù)功率對輸入功率的線性；
圖11示出針對系統(tǒng)特性包括RF到光纖模塊的HRS的端口 1的校準設置；圖12示出針對系統(tǒng)特性包括RF到光纖模塊的HRS的端口 2的校準設置；圖13示出用于測量返回損耗的HRS的端口 1的校準設置；圖14示出用于測量返回損耗的HRS的端口 2的校準設置；圖15例示集成到天線輻射測量系統(tǒng)中的HRS ；圖16提供校準的偶極天線的輻射圖；圖17提供單極(Ml)天線的輻射圖；圖18提供單極(M3)天線的輻射圖；圖19提供M2單極天線的輻射圖；圖20提供ESP天線的輻射圖；圖21是集成到惠勒帽測量系統(tǒng)中的HRS的系統(tǒng)圖；圖22示出放置在自由空間中的Ml天線的反射系數(shù)；圖23示出放置在惠勒帽測量系統(tǒng)中的Ml天線的反射系數(shù)；圖M示出放置在自由空間中的M3天線的反射系數(shù)；圖25示出放置在惠勒帽測量系統(tǒng)中的M3天線的反射系數(shù)；圖沈示出放置在自由空間中的M2天線的反射系數(shù)；圖27示出放置在惠勒帽測量系統(tǒng)中的M2天線的反射系數(shù)；圖28示出放置在自由空間中的ESP天線的反射系數(shù)；圖四示出放置在惠勒帽測量系統(tǒng)中的ESP天線的反射系數(shù)；圖30是集成到信標控制AAMU的系統(tǒng)中的HRS的系統(tǒng)圖；圖31是集成到信標控制可重新配置天線的系統(tǒng)中的HRS的系統(tǒng)圖；圖32是集成到信標控制AAMU和可重新配置天線的系統(tǒng)中的HRS的系統(tǒng)圖。
具體實施例方式圖1示出HRS的信號流網(wǎng)絡分析，其能夠用于將復雜網(wǎng)絡簡化為相對簡單的輸入輸出關系。然后可以使用散射參數(shù)將RF網(wǎng)絡特征化。該技術用于分析HRS且獲得系統(tǒng)的散射參數(shù)。針對網(wǎng)絡分析，HRS由4個模塊組成；每個模塊是由具有兩個輸入端口和兩個輸出端口的塊來表示的兩端口網(wǎng)絡。與各個模塊相關聯(lián)的端口是RF到光學模塊al輸入入射信號節(jié)點a2輸出反射信號節(jié)點bl輸入反射信號節(jié)點Μ輸出入射信號節(jié)點光學到RF模塊a3輸入入射信號節(jié)點a4輸出反射信號節(jié)點b3輸入反射信號節(jié)點b4輸出入射信號節(jié)點雙向耦合器RF (DDC (RF))模塊
a5輸入入射信號節(jié)點a6輸出反射信號節(jié)點b5輸入反射信號節(jié)點M輸出入射信號節(jié)點雙向耦合器A/D轉(zhuǎn)換器(DDC(AZD))樽塊a8輸入入射信號節(jié)點a9輸出反射信號節(jié)點b8輸入反射信號節(jié)點b9輸出入射信號節(jié)點源Vs連接到RF到光學模塊且分別具有特性阻抗\和反射系數(shù)Γ s。天線連接到 DDC(RF)模塊且分別具有特性阻抗&和反射系數(shù)ΓΑ。DDC(A/D)將從DDC(RF)接收的測量信號轉(zhuǎn)換成準備通過光纖發(fā)射的數(shù)字流。由于路徑％至％以及b8至％是光纖信號并且這些路徑與RF模塊隔離，因此假設DDC (A/D)與 DDC(RF)完美匹配。因此，DDC(A/D)組件不必確定HRS的散射參數(shù)。如圖2所示，這簡化了系統(tǒng)網(wǎng)絡以及后續(xù)的分析。假設RF到光學模塊和光學到RF模塊之間的光學接口通過線路阻抗Z。pt匹配。還假設光學到RF模塊和DDC(RF)之間的接口通過線路阻抗Z,f匹配。參考圖3中的信號流圖，用于RF到光學模塊、光學到RF模塊和DDC(RF)模塊的散射參數(shù)分別由ζ、P和V表示。兩個附加節(jié)點a’ i和b’ i以及很多損耗較小的連接被引入到信號流圖中以輔助數(shù)學分析。通過重復的分解過程能夠簡化信號流圖，以得到等式1. 1中給出的比率al+bs。 然后，能夠使用該表達式來確定傳遞到HRS的輸入( )的信號，作為整個網(wǎng)絡散射參數(shù)和輸入源信號Vs的函數(shù)?？梢约僭O光學信號采取的路徑不能產(chǎn)生RF反射，因此，rEOout= Γ0Ε η =0且能夠?qū)⒌仁?. 1簡化為等式1. 2。等式1. 權利要求
1.一種測試與測量系統(tǒng)，該測試與測量系統(tǒng)用于測量由電小輻射元件發(fā)射或接收的射頻信號，該測試與測量系統(tǒng)包括電小反射計，其中以光學數(shù)字信號的形式提供來自所述電小反射計的輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的測試與測量系統(tǒng)，其中所述電小反射計包括電連接到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的射頻雙向耦合器。
3.根據(jù)前述任一權利要求所述的測試與測量系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括光學數(shù)據(jù)發(fā)射器模塊。
4.根據(jù)權利要求3所述的測試與測量系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括光學數(shù)據(jù)接收器。
5.根據(jù)前述任一權利要求所述的測試與測量系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括光學到射頻模塊。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一權利要求所述的測試與測量系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)位于消聲室或遠場天線測量范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權利要求1至5中任一權利要求所述的測試與測量系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)位于惠勒帽內(nèi)。
8.一種射頻裝置，該射頻裝置包括根據(jù)權利要求1至權利要求5中任一權利要求所述的測試與測量系統(tǒng)。
9.一種通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)包括根據(jù)權利要求1至權利要求5中任一權利要求所述的測試與測量系統(tǒng)。
10.一種基本如此處參考圖1至圖32描述的測量和測試系統(tǒng)。
全文摘要
一種RF信號測試與測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測量包括電小天線(ESA)的RF組件的正向信號參數(shù)和反向信號參數(shù)，并且能夠被集成在通信系統(tǒng)內(nèi)以輔助天線的自動重新調(diào)諧。
文檔編號H04B17/00GK102577190SQ201080048310
公開日2012年7月11日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權日2009年8月26日
發(fā)明者I·L·莫羅, N·克勞, S·J·珀金斯 申請人:英國國防部