专利名称：混合反射计系统(hrs)的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够测量包括天线且尤其包括电小天线(ESA)的射频(RF)组件的正向信号参数和反向信号参数的RF信号测试与测量系统，并且更具体地，涉及能够被集成在通信系统内以辅助天线的自动重新调谐的RF测试与测量系统。
背景技术：
在开发RF设备时，独立地或在集成系统内测试RF组件(诸如天线)以验证它们的实际性能是必要的。测量天线性能通常通过将天线连接到反射计来实现。这允许个人使用网络分析仪测量天线的散射参数(S-参数)大小(magnitude)，但是将来自辐射装置的不可预测的损耗算在内的校准是有问题的。这对于ESA尤其有问题，因为从天线反射回来的能量用作返回到测量系统的共模电流。在校准过程中不能解释这种不可预测的影响。嵌入诸如移动电话的主机中的天线一般是电小的。电小天线通常被认为表示当天线在它的最高操作频率操作时该天线具有不大于λ/10的尺寸。此外，这些嵌入式ESA对于周围环境敏感且易于失谐。在测试期间，例如，如果测试系统被放置得太靠近天线，则由于比如RF输入线缆的组件的使用，该测试系统可能用作寄生元件。因此，由于这种失谐效应，与不同环境中的主机进行通信变得极其困难。存在使用测量系统来测量ESA的辐射效率的多种方法。迄今为止，模式集成 (pattern integration)是当前用于测量ESA的绝对辐射效率的最精确的方法。然而，该方法是最复杂和耗时的方法，需要经校准的范围(range)或消声室。在实践中，难以在500MHz 以下的频率实现。如果天线的远场具有复模式或复杂的极化，则该方法会更为复杂。Q因子方法使用无损天线的质量因子的理论值；在天线不是简单结构的情况下， 可能难以获得该理论值。还假设当在天线或其周围环境中做出改变时，天线上的电流分布的形式保持不变。电阻比较方法需要两个天线，这两个天线被构造为是相同的但具有不同的金属。 假定两个金属的导电性的差异是小扰动且假设它们的欧姆电阻不同。该方法还假设金属的导电性和操作频率很高。做出这些假设，从而使用表面电阻的概念来确定辐射电阻。此外， 与Q因子方法一样，该方法也假设当在天线或其周围环境中做出改变时，天线上的电流分布的形式保持不变。辐射测量方法基于如下原理定向在低噪声区域的有损耗天线将生成比定向在同一区域的无损天线更多的噪声功率。天线中的损耗可以被看作为环境温度的噪声源。该方法不适于名义上具有全向辐射模式的天线，诸如ESA。当定向到低噪声区域(即，顶点处天空)时，这类天线从可能更热的地平线(horizon)接收辐射，因而增加了测量不确定性。因此，对于具有笔形波束型辐射模式的高增益天线，该方法是有用的。该方法还需要高质量放大器和具有良好噪声指数的混合器，它们必须靠近天线安装以避免会增加噪声的附加组件。易于漂移的放大器增加了测量不确定性。此外，天线必须与源阻抗匹配以避免增加系统噪声。
随机场测量(RFM)方法基于如下统计理论，该统计理论假设由未知天线和参考天线接收的信号遵循瑞利分布(Rayleigh distribution)。该技术用于测量当与人体靠得很近时天线的辐射效率。测量过程的统计性质导致它比其它常规方法更加耗时。量热(calorimetric)方法基于对所耗散的功率而不是所辐射的功率的测量。该量热方法被认为是下面描述的模式集成的低成本另选方案和惠勒帽(Wheeler cap)方法的替代方案。然而，测量过程比惠勒帽方法更加复杂。尽管测量所需的设备比模式集成方法相对较便宜，但是与使用惠勒帽方法相比，它仍相当昂贵。混响室方法被认为是模式集成方法的较便宜的另选方案。使用模式和平台搅动在金属室内部设置多路径环境。然后，使用统计分析确定天线的辐射效率。通过以恒定和已知的速度旋转的金属桨调制室内部的模式。为了获得改善的测量精确度，测试下的天线(也称为平台)也旋转。该方法基于混响室中的平均接收功率与测试天线的辐射效率成正比的假定。反射方法检查在天线和反射构件(reflecting short)之间的距离变化时天线的反射系数。在操作横向电TE 10模式的矩形波导中执行该测量。该方法可以被视为是惠勒帽方法的扩展，然而，其过程更加复杂且需要具有高质量滑动构件的稍微复杂的波导设置。 额外的益处在于天线损耗被建模，而不管它们是否由串联电阻器、并联电导或非简单的天线结构组成。辐射屏蔽方法是导电壳形式的辐射屏蔽的概念，弧度球面(radian sphere) 的大小源于 H. Wheeler 在 1959 年发表的文章("The radiansphere around a small antenna，，，proceedings IREE Australia, vol. 47, pp. 1325-1331, Aug. 1959)，在该文章中他声明，对于电小天线，辐射屏蔽能够实现辐射电阻和损耗电阻的单独测量。这种测量辐射效率的方法现在被称为经典的惠勒帽方法且被广泛地使用，因为该方法在实践中容易实现，仅需要输入阻抗的两次测量。惠勒帽方法建模在等效串联RLC电路上，其可能不是针对所有天线(诸如微带天线)的情况。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)，该方法使天线的输入阻抗接近与串联或并联RLC电路模型近似谐振。在该方法中，天线被放置在导电球或半球中，天线放置在地平面上。该球被称为“惠勒帽”且用于通过确保所有辐射能量被反射而防止辐射，因而测量的阻抗是由于天线中的损耗而导致的。先前，由于在测量系统的输入和输出处存在RF干扰，因此惠勒帽测量是困难的。本发明的目标在于将被测量的 RF组件隔离，因此极大地改善了信号测量的精确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种电小反射计RF测试与测量系统(由于使用的数字和模拟组件，此处称为混合反射计系统或HRQ，该系统能够测量包括ESA的RF组件的正向信号参数和反向信号参数，但是与该组件隔离，以此方式防止寄生效应。另一个目的是可以将 HRS集成到例如天线系统的通信系统中，以在各种条件和环境内操作的情况下实现天线的
重新调谐。因此，本发明提供一种测试与测量系统，该系统用于测量通过电小辐射元件发射或接收的射频信号，该电小辐射元件包括电小反射计，其中以光学数字信号的形式提供来自所述电小反射计的输出。此处使用的电小反射计是指该反射计比诸如ESA的电小辐射元件电小。当前，在本领域中，来自反射计的输出总是模拟信号。网络分析仪例如将采取模拟信号且在将该信号转换成数字格式之前进一步对该信号进行处理。这意味着在反射计的输出上存在RF组件，这些RF组件能够通过反射计干扰信号的测量。结果，必须引入误差校准。通过将来自电小反射计的输出立即转换成数字信号，本发明能够防止被测量的信号的RF干扰并且因此增加准确性。因此这样就去除了对误差校准的需求。实现此点的一个方法是构造具有射频双向耦合器的电小反射器并且将该电小反射器电连接到模拟数字转换器。优选地，通过采取数字信号输出且通过光学数据发射器模块发射该数字信号输出，能够将与天线有关的数字信号转换成光学格式。能够经由光学数据接收器(光纤链路) 向个人计算机(PC)发射光学数据发射器模块的输出。这样确保能够使用PC分析天线信号而无需使用RF线缆。而且，如果将光学到RF模块添加到电小反射计的输入，则光纤线缆能够向光学到RF模块输入信号，消除了对RF馈电线缆的需要。这允许在不折衷天线的RF特性的情况下测量待实现的正向天线传输特性和反向天线传输特性。换句话说，天线现在与输入和输出RF干扰完全隔离，所以将进一步改善测量的精确性。本发明能够在消声室或惠勒帽中使用以测量射频信号，而无需使用RF馈电线缆， 这消除了由于所采取的测量导致的不利RF影响。本领域技术人员将意识到本发明可以与其它测量技术一起使用，诸如前面描述的测量技术。本发明能够有利地与诸如RF放大器或滤波器的RF装置一起使用，以提供对该装置的阻抗匹配测量，这在反馈回路内将会是有用的。RF测量系统能够在RF组件的端子处测量正向信号参数和反向信号参数二者，以在测量过程期间显著地减小共模电流的影响，并且系统不作为寄生，该RF测量系统可以被集成到通信系统的反馈回路中。该测量系统将能够检测由于影响天线的环境改变而出现的信号误差，并且将检测到的误差输入到诸如自动天线匹配单元(AAMU)的装置中，以辅助天线的自动重新调谐。
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明，在附图中图1示出HRS系统网络图；图2示出简化的HRS系统网络图；图3示出HRS信号流图；图4示出HRS系统组件图；图5示出用于测量在正向方向中发射的功率的HRS特性设置；图6示出HRS的测量反射系数；图7示出HRS的测量透射系数；图8示出HRS散射参数设置；图9示出在正向方向中输出数据功率对输入功率的线性；图10示出在反向方向中输出数据功率对输入功率的线性；
图11示出针对系统特性包括RF到光纤模块的HRS的端口 1的校准设置；图12示出针对系统特性包括RF到光纤模块的HRS的端口 2的校准设置；图13示出用于测量返回损耗的HRS的端口 1的校准设置；图14示出用于测量返回损耗的HRS的端口 2的校准设置；图15例示集成到天线辐射测量系统中的HRS ；图16提供校准的偶极天线的辐射图；图17提供单极(Ml)天线的辐射图；图18提供单极(M3)天线的辐射图；图19提供M2单极天线的辐射图；图20提供ESP天线的辐射图；图21是集成到惠勒帽测量系统中的HRS的系统图；图22示出放置在自由空间中的Ml天线的反射系数；图23示出放置在惠勒帽测量系统中的Ml天线的反射系数；图M示出放置在自由空间中的M3天线的反射系数；图25示出放置在惠勒帽测量系统中的M3天线的反射系数；图沈示出放置在自由空间中的M2天线的反射系数；图27示出放置在惠勒帽测量系统中的M2天线的反射系数；图28示出放置在自由空间中的ESP天线的反射系数；图四示出放置在惠勒帽测量系统中的ESP天线的反射系数；图30是集成到信标控制AAMU的系统中的HRS的系统图；图31是集成到信标控制可重新配置天线的系统中的HRS的系统图；图32是集成到信标控制AAMU和可重新配置天线的系统中的HRS的系统图。
具体实施例方式图1示出HRS的信号流网络分析，其能够用于将复杂网络简化为相对简单的输入输出关系。然后可以使用散射参数将RF网络特征化。该技术用于分析HRS且获得系统的散射参数。针对网络分析，HRS由4个模块组成；每个模块是由具有两个输入端口和两个输出端口的块来表示的两端口网络。与各个模块相关联的端口是RF到光学模块al输入入射信号节点a2输出反射信号节点bl输入反射信号节点Μ输出入射信号节点光学到RF模块a3输入入射信号节点a4输出反射信号节点b3输入反射信号节点b4输出入射信号节点双向耦合器RF (DDC (RF))模块
a5输入入射信号节点a6输出反射信号节点b5输入反射信号节点M输出入射信号节点双向耦合器A/D转换器(DDC(AZD))樽块a8输入入射信号节点a9输出反射信号节点b8输入反射信号节点b9输出入射信号节点源Vs连接到RF到光学模块且分别具有特性阻抗\和反射系数Γ s。天线连接到 DDC(RF)模块且分别具有特性阻抗&和反射系数ΓΑ。DDC(A/D)将从DDC(RF)接收的测量信号转换成准备通过光纤发射的数字流。由于路径％至％以及b8至％是光纤信号并且这些路径与RF模块隔离，因此假设DDC (A/D)与 DDC(RF)完美匹配。因此，DDC(A/D)组件不必确定HRS的散射参数。如图2所示，这简化了系统网络以及后续的分析。假设RF到光学模块和光学到RF模块之间的光学接口通过线路阻抗Z。pt匹配。还假设光学到RF模块和DDC(RF)之间的接口通过线路阻抗Z,f匹配。参考图3中的信号流图，用于RF到光学模块、光学到RF模块和DDC(RF)模块的散射参数分别由ζ、P和V表示。两个附加节点a’ i和b’ i以及很多损耗较小的连接被引入到信号流图中以辅助数学分析。通过重复的分解过程能够简化信号流图，以得到等式1. 1中给出的比率al+bs。 然后，能够使用该表达式来确定传递到HRS的输入( )的信号，作为整个网络散射参数和输入源信号Vs的函数。可以假设光学信号采取的路径不能产生RF反射，因此，rEOout= Γ0Ε η =0且能够将等式1. 1简化为等式1. 2。等式1. 权利要求
1.一种测试与测量系统，该测试与测量系统用于测量由电小辐射元件发射或接收的射频信号，该测试与测量系统包括电小反射计，其中以光学数字信号的形式提供来自所述电小反射计的输出。
2.根据权利要求1所述的测试与测量系统，其中所述电小反射计包括电连接到模拟数字转换器的射频双向耦合器。
3.根据前述任一权利要求所述的测试与测量系统，其中所述系统还包括光学数据发射器模块。
4.根据权利要求3所述的测试与测量系统，其中所述系统还包括光学数据接收器。
5.根据前述任一权利要求所述的测试与测量系统，其中所述系统还包括光学到射频模块。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的测试与测量系统，其中所述系统位于消声室或远场天线测量范围内。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的测试与测量系统，其中所述系统位于惠勒帽内。
8.一种射频装置，该射频装置包括根据权利要求1至权利要求5中任一权利要求所述的测试与测量系统。
9.一种通信系统，该通信系统包括根据权利要求1至权利要求5中任一权利要求所述的测试与测量系统。
10.一种基本如此处参考图1至图32描述的测量和测试系统。
全文摘要
一种RF信号测试与测量系统，该系统能够测量包括电小天线(ESA)的RF组件的正向信号参数和反向信号参数，并且能够被集成在通信系统内以辅助天线的自动重新调谐。
文档编号H04B17/00GK102577190SQ201080048310
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月18日 优先权日2009年8月26日
发明者I·L·莫罗, N·克劳, S·J·珀金斯 申请人:英国国防部