最低建置成本 實現雙極化天線陣列測試

作者 : 稜研科技(TMYTEK)供稿

西安電子科技大學趙魯豫教授團隊完成天線陣列設計後,須完整驗證波束成形輻射響應。團隊希望測試環境能夠以最低的建置成本,且活用現有的實驗設備,靈活設置波束成形測試環境…

5G NR毫米波頻段的FR2的應用上,為了克服毫米波頻段中相對較高的路徑損耗並增加波束覆蓋能力,毫米波天線陣列設計是重要的電路設計之一。

西安電子科技大學趙魯豫教授的團隊(後簡稱趙教授)進行了一款手機用毫米波天線模型研究,為一款緊湊的1×4多頻段雙極化毫米波陣列天線(1×4 Multi-band Dual-polarization mmWave antenna array),陣列天線的整體尺寸小到可以放置於手機當中,且陣列天線可以同時完全覆蓋n2​​58~n261的5G NR頻段。

其中,陣列中的天線單元(antenna element)更是影響整體天線陣列特性的重要設計。最後在天線陣列設計完成後,需藉由增益(gain)與相位(phase)調整,進一步驗證天線陣列在前端系統中的表現。然而,在團隊完成此天線陣列設計後,須完整驗證波束成形輻射響應。趙教授希望測試環境能夠以最低的建置成本,且活用現有的實驗設備,靈活的設置波束成形測試環境。

挑戰

毫米波中的應用上,波束成形為必要的技術之一。然而,為了實現波束成形的測量,天線陣列設計者在測試上須面臨許多的門檻。其中,波束成形輻射場型的測試中,得到單元天線的響應後,為了進一步要得波束成形場型,需要後處理(Post Processing)來模擬波束成形輻射場型,或者使用波束成形前端電路調整振幅和相位。

趙教授在進行波束成形測試前,面臨以下挑戰:

1.實驗室希望專注於單元天線/天線陣列設計,沒有時間與精力去撰寫波束成型後處理演算,或者進行波束成形前端電路設計;

2.如要有效率的得到波束成形結果,需要購買一套多埠向量網路分析儀(multiport VNA),才能夠支援1×4且雙極化的緊湊天線。

解決方案

為達成波束成形的量測需求,且趙教授所設計的天線規格為1×4雙極化天線陣列, TMYTEK建議趙教授三種方案:

1.使用雙埠(2 port) VNA,於微波暗室(chamber)內手動切換量測各個天線單元(element)的輻射場型(radiation pattern),並使用後處理的方式,模擬得波束成形場型;

2.需要一台8埠(8 port)以上的向量網路分析儀,於微波暗室內量測直接各個天線單元的輻射場型,一樣使用後處理的方式,模擬得到波束成形場型;

3.使用現有2埠VNA加上BBox One,於微波暗室內藉由BBox實際調控振幅與相位,直接量測到波束成形場型。

然而,第一種方案較為耗時;第二種方案儀器建置成本昂貴,且多條纜線在微波暗室中不易架設,甚至可能在量測時成造成絞線,進而破壞量測環境或待測物(DUT);此外,上述前兩種方案皆使用後處理,利用「模擬」的方式,演算出波束成形的輻射場型。

因此,趙教授採用第三種方案,完整測試系統(圖1)共包含:TMYTEK Keysight N5225A VNA、28GHz BBox One、天線暗室、AUT (趙教授設計的1×4寬頻5G毫米波雙極化終端天線)。

 

圖1:1×4天線研究環境架構圖。

 

 

圖2:天線原型和測量環境設置。(a)趙教授的四單元天線陣列原型;(b)S參數測量環境設置;(c) BBox和AUT的測量設置:(d)輻射模式的測量設置。

 

TMYTEK的BBox系列產品,可以幫助天線設計者節省時間與精力,免去撰寫波束成形演算法或額外的波束成形前端電路設計。BBox套件可以為毫米波天線設計提供波束成形所需要的振幅和相位控制功能,並且簡單的圖形化控制介面讓天線研發者甚至可以輕鬆設定需要輻射的角度。這使得天線設計者可以專注於天線的開發,並且簡單輕鬆透過BBox系統驗證天線產品的效能,而無需擔心波束成形算法或波束成形電路。

同時,BBox可以有效地幫助趙教授節省建置成本而又能建立多通道測試的實驗環境。BBox One擁有16個獨立RF通道,可個別控制相位與振幅,趙教授只需在BBox One接上實驗室原有的二通道VNA,就能實際測試1×4雙極化天線的不同角度天線場型,確認實際的天線效能與理論模擬之間的數據比較,對於需要量測波束場形(beamforming pattern)的趙教授來說,此方案最為簡單、方便及實惠。

 

表1:各種波束成形輻射場型測試方案比較。

 

 

成果

波束掃描能力是5G手機中毫米波天線陣列的關鍵特性,因此趙教授使用所提出的毫米波天線搭配BBox One 28 GHz做不同角度的波束角度量測(beam angle),並且與模擬數據做搭配比較。如圖3~4所示,趙教授在26.6GHz下測量天線陣列的波束掃描能力,並且掃描0~60度的波束掃描角度。最終測量結果與模擬差異小於0.2dB,並且在正負60度區間都有良好的波束成形特性。

 

圖3:天線陣列在theta = 90°平面內的2D波束掃描方向圖。(左)天線模擬的極化量測圖,26.6GHz下的+45度操作頻率26.6GHz,極化方向為+45度的天線場型模擬圖;(右) 天線模擬的極化量測圖,在26.6GHz下的+45度操作頻率26.6GHz,極化方向為-45度的天線場型模擬圖。

 

圖4:天線陣列在theta = 90°平面內的2D波束掃描方向圖。(左)在26.6GHz下的+45度極化量測圖,操作頻率26.6GHz,極化方向為+45度的天線場型量測圖;(右)在26.6GHz下的-45度極化量測圖,操作頻率26.6GHz,極化方向為-45度的天線場型量測圖。

 

圖5:TMYTEK為BBox One使用者所開發的GUI,可直覺控制每個通道的振幅與相位。

 

結論

採用TMYTEK BBox One方案,趙教授在預算內成功完成1×4雙極化天線驗證實驗,比起傳統使用8通道VNA儀器測試,採納BBox One方案,可以輕鬆升級2埠VNA,完成其天線測試實驗。擁有16個獨立RF通道,BBox One適用教授各種天線的多樣化配置,並進入OTA暗室(OTA Chamber)做波束場型的量測,實際驗證天線效能。同時使用了TMYTEK設計GUI,其簡易操作介面,教授無需擔心波束成形演算法問題,也讓整個天線驗證變得更加輕鬆容易。

參考資料:

Y. He,  et al., including Luyu Zhao,”A Compact Dual-Band and Dual-Polarized Millimeter-Wave Beam Scanning Antenna Array for 5G Mobile Terminals,” in IEEE Access, vol. 9, pp. tel:109042-109052, 2021.

 

 

 

 

 

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