СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АНТЕННЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ МНОЖЕСТВО ИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2021 года по МПК G01R29/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к испытанию антенн в процессе их изготовления.

Более конкретно, в нем предлагаются способ испытания и испытательная система для испытания антенн при производстве.

Предлагаемые способ и система испытаний представляют особый интерес в случае многоэлементных антенн, таких как антенны базовых станций (БС). Базовые станции образованы несколькими многоэлементными антеннами (несколькими портами).

Уровень техники

Многоэлементные антенны обычно образованы множеством излучающих элементов, присоединенных при помощи кабелей к электрической схеме, управляющей фазой и амплитудой указанных излучающих элементов.

Эти кабели могут быть припаяны вручную к излучающим элементам, при этом могут встречаться такие дефекты, как:

- плохая пайка (приводящая к короткому замыканию);

- отсутствие пайки (приводящее к разомкнутой цепи);

- пайка в неправильной позиции (приводящая к обмену мест (перестановке) между двумя элементами, например, между двумя элементами, соответствующими двум различным поляризациям).

По мере того, как базовые станции и многоэлементные антенны становятся все более сложными, возникает потребность в сокращении времени, затрачиваемого на их испытание, а также в уменьшении уровня брака.

Для проведения фазово-амплитудных испытаний в процессе производства обычно используются производственные испытательные устройства. Как правило, одиночный зонд или массив, состоящий из одного или более зондов, перемещают вокруг антенны для измерения передаваемого сигнала. Такие испытательные устройства могут определять, что антенна не работает исправно, но не дают указания о том, откуда исходят проблемы внутри антенн, а также о характере дефектов. Кроме того, такие испытательные устройства требуют очень больших затрат времени.

Раскрытие изобретения

Таким образом, целью настоящего изобретения является дальнейшее улучшение испытательных устройств для антенн.

С этой целью раскрыт способ испытания антенны, содержащей множество излучающих элементов, причем перед испытываемой антенной помещают массив из одного или более зондов и выполняют следующие этапы:

- прием каждым зондом из массива из одного или более зондов радиосигнала, излучаемого испытываемой антенной, или прием испытываемой антенной радиосигнала, излучаемого каждым зондом из массива из одного или более зондов,

- восстановление обратного распространения сигнала (сигналов), принятого или излученного каждым зондом из массива из одного или более зондов, посредством вычисления сигнала (сигналов), принятого или излученного различными зондами из массива из одного или более зондов,

- испытание сигнала, восстановленного таким образом, или его параметров для обнаружения потенциального дефекта антенны.

Восстановление обратного распространения может представлять собой восстановление до бесконечности, причем сигнал, восстановленный таким образом, вычисляют, чтобы определить угол наклона, ширину луча и уровни боковых лепестков, при этом указанные угол наклона, ширину луча и уровни боковых лепестков проверяют для обнаружения потенциального дефекта антенны.

В дополнение или в качестве альтернативы, при восстановлении обратного распространения восстанавливают сигнал по поверхности, близкой или совпадающей с излучающими элементами испытываемой антенны, причем способ дополнительно включает в себя следующий этап:

- сравнение амплитуды и/или фазы сигнала, восстановленного таким образом, для каждого из излучающих элементов испытываемой антенны с амплитудой и/или фазой сигнала, восстановленного для соответствующих излучающих элементов золотой антенны или среднего нескольких золотых антенн, применяемых в качестве эталона, при этом результат сравнения используют для принятия решения об обнаружении дефекта.

Такой способ испытания имеет преимущество, состоящее в том, что он не требует больших затрат времени. Он обеспечивает информацию о том, какой излучающий элемент антенны имеет дефект и позволяет выполнить диагностику этого типа дефекта.

Такой способ, кроме того, потенциально дополняется следующими характеристиками, взятыми по отдельности или в комбинации:

- дефект обнаруживают для заданного излучающего элемента испытываемой антенны, причем амплитуда и/или фаза сигнала, восстановленного для соответствующего элемента золотой антенны и для указанного излучающего элемента испытываемой антенны отличаются друг от друга, выходя за пределы заданного поля допуска;

- при обнаружении дефекта проверяют, произошел ли обмен местами между двумя излучающими элементами, соответствующими двум перпендикулярным поляризациям;

- амплитуду сигнала, восстановленного для указанных излучающих элементов, сравнивают, и результат этого сравнения используют для обнаружения того, произошел ли обмен местами между этими двумя излучающими элементами;

- если для данного излучающего элемента испытываемой антенны обнаружено, что никакого обмена местами не происходило, дополнительно проводят проверку, чтобы определить, находится ли указанный излучающий элемент в состоянии короткого замыкания/разомкнутой цепи;

- определение того, находится ли указанный излучающий элемент в состоянии короткого замыкания/разомкнутой цепи, включает в себя испытание на уровне амплитуды восстановленного сигнала.

В настоящем изобретении также предлагается испытательная система для испытания антенны, содержащей множество излучающих элементов, при этом указанная система содержит массив из одного или более зондов, помещаемый перед испытываемой антенной, и дополнительно содержит векторный анализатор цепей или любые измерительные приборы, способные измерять амплитуду и фазу сигналов, управляемые компьютером и выполняющие различные этапы способа, раскрытого выше.

Массив из одного или более зондов может быть линейным, или зонды из массива из одного или более зондов могут быть распределены по поверхности.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики, цели и преимущества изобретения станут понятными из нижеследующего описания, которое является чисто иллюстративным и неограничивающим, и при прочтении которого необходимо обращаться к прилагаемым чертежам.

На Фиг. 1a и Фиг. 1b показаны возможные варианты осуществления испытательного устройства для антенны согласно настоящему изобретению, соответственно, для режима приема и режима передачи.

На Фиг. 2 показаны различные этапы испытания, выполняемого при помощи такого испытательного устройства.

На Фиг. 3a и 3b показаны графики, изображающие обнаружение такого обмена местами или короткого замыкания/разомкнутой цепи внутри одного излучающего элемента антенны.

Осуществление изобретения

Испытательное устройство

Испытательное устройство, показанное на Фиг. 1a и 1b, содержит массив 1 из одного или более зондов, который помещают перед испытываемой антенной 2.

Указанный массив 1 связан при помощи усилителей 3 с ВАЦ 4 (векторным анализатором цепей), который обменивается данными с компьютером 5. Усилители 3 являются опциональными.

Указанный ВАЦ 4 также связан при помощи усилителей 3 и различных переключателей 6 с различными портами испытываемой антенны 2.

Зонды массива 1 могут располагаться линейно (например, вдоль линии, параллельной антенне 2) или на поверхности.

ВАЦ 4 передает и принимает радиосигналы.

Усилители 3 позволяют усиливать сигнал, излучаемый и принимаемый ВАЦ 4.

Переключатели 6 позволяют испытывать по отдельности различные порты антенны 2. Переключатели 6 являются опциональными, и соединение с каждым портом антенны 2 может выполняться вручную.

Процедура испытания

Прием (этап 10)

Режим приема

Испытание заданного порта антенны 2 в режиме приема может быть выполнено следующим образом.

ВАЦ 4 (управляемый компьютером 5) передает каждому зонду массива 1 радиосигнал, принимаемый испытываемой антенной 2.

Этот сигнал принимают посредством излучающих элементов заданного порта антенна 2 и объединяют для передачи переключателям 6 и ВАЦ 4 через усилители 3.

Таким образом, выполняют сравнение между переданными и принятыми сигналами для измерения коэффициентов передачи в каждом местоположении измеренного отсчета, соответствующем местоположению каждого зонда массива 1.

Благодаря переключателям 6 это испытание повторяют для каждого из портов испытываемой антенны.

Режим передачи

ВАЦ 4 передает радиосигнал заданному порту испытываемой антенны 2. Этот сигнал, таким образом, излучается одновременно различными излучающими элементами заданного порта антенны 2, выбранного при помощи переключателей 6.

Объединенный сигнал, излучаемый антенной 2, принимается каждым зондом массива 1 и передается от каждого зонда массива 1 к ВАЦ 4 через усилители 3.

Таким образом, выполняют сравнение между переданными и принятыми сигналами для измерения коэффициентов передачи в каждом местоположении измеренного отсчета, соответствующем местоположению каждого зонда массива 1.

Благодаря переключателям 6 это испытание повторяют для каждого из портов испытываемой антенны.

Восстановление (этапы 11 или 41)

Сигнал, измеренный (в режиме приема или передачи) в каждом местоположении отсчета зондами массива 1 из одного или более зондов, затем используется компьютером 5 для виртуального выполнения обратного распространения и восстановления сигнала (амплитуды и фазы).

Восстановление выполняют при помощи классических методов восстановления обратного рассеяния, таких как раскрыты в следующих статьях:

- Hu Hongfei, Fu Demin - A Near-Field Diagnostic Technique Based on Equivalent Magnetic Currents - IEEE 2000 - p. 508-511;

- J.D. Hanfling, G.V. Borgiotti, L. Kaplan - The backward transform of the near field for reconstruction of aperture fields - IEEE - 1979 - p. 764-767.

Макроподход

В первом варианте реализации выполняемое восстановление представляет собой восстановление до бесконечности (этап 41).

При таком восстановлении компьютер 5 определяет соответствующие угол наклона, ширину луча, уровни боковых лепестков (этап 42).

Проверяют угол наклона, ширину луча и уровни боковых лепестков, вычисленные таким образом (этап 43).

В случае угла наклона испытанием может служить сравнение с пороговым значением угла отклонения относительно номинального угла, например, указанный выбранный угол отклонения равен 1°.

В случае ширины луча испытанием может служить сравнение с пороговым значением угла отклонения относительно номинальной ширины луча, например, указанный выбранный угол отклонения равен 0,5°.

В случае уровней боковых лепестков испытанием может служить сравнение с пороговым значением амплитуды отклонения относительно максимальной амплитуды, например, указанная выбранная амплитуда отклонения равна 2 дБ.

Если отклонение угла наклона, ширины луча или уровней боковых лепестков больше, чем указанное пороговое значение угла или величины отклонения, считается, что дефект обнаружен (выход 44).

Если нет, считается, что дефект не обнаружен (выход 45).

Микроподход

Во втором варианте реализации, который может выполняться в дополнение к макроподходу или независимо от него, восстановление выполняют по поверхности, близкой или совпадающей с излучающими элементами испытываемой антенны 2 (этап 11).

Здесь следует также отметить, что для того, чтобы обеспечить возможность такого восстановления, пространственные отсчеты зондов массива 1 выбирают в соответствии с критерием отбора отсчетов Найквиста-Шеннона.

Геометрическая модель 7 и описание 8 антенны используются в качестве входных данных для такого восстановления. Входными данными могут служить, например, геометрическое местоположение элемента и значения рабочих частот.

- Сравнение с золотой антенной (9)

Затем фазу/амплитуду, восстановленную на поверхности близко к каждому излучающему элементу антенны 2, обрабатывают поэлементно, чтобы определить, какой элемент(ы) антенны имеет(-ют) дефект, и каков тип рассматриваемого дефекта.

С этой целью золотая антенна 9 или среднее множества золотых антенн используется в качестве эталона для сравнения. Этапы приема и восстановления выполняют для каждого излучающего элемента как для золотой антенны, так и для испытываемой антенны 2 (этапы 20 и 21 для золотой антенны и этапы 10 и 11 для испытываемой антенны 2).

Восстановленную амплитуду и/или фазу сравнивают для каждого излучающего элемента, который соответствует двум антеннам 2, 9 (этап 31).

Модель, учитывающую поле допуска, предусматривают с этой целью в качестве входных данных для компьютера 5 (модель 30 с допуском).

При определении разности амплитуд и/или фаз между одним излучающим элементом золотой антенны 9 и соответствующим излучающим элементом испытываемой антенны 2, проверяют, находится ли эта разность в пределах поля допуска, принятого для изготовленных антенн (этап 32).

Если это так, считают, что разности не существует (этап 33).

- Испытание на обмен местами (испытание 34)

Если разность выходит за пределы поля допуска, проверяют, может ли такая разность быть вызвана обменом местами, например, обменом местами между двумя излучающими элементами, соответствующими двум перпендикулярным поляризациям.

В этом случае, в отличие от результатов для других излучающих элементов, не подвергшихся обмену мест, амплитуда сигнала S1, восстановленного на рассматриваемом излучающем элементе, была бы выше амплитуды сигнала S2, восстановленного на излучающем элементе с перпендикулярной поляризацией (Фиг. 3a).

Если это подтверждается, дефект обнаружен и может, таким образом, быть обработан на антенне (этап 35).

- Испытание на наличие короткого замыкания/разомкнутой цепи (испытание 36)

Если это не так, проверяют, является ли амплитуда сигнала S, восстановленного на излучающем элементе, нулевой или близкой к нулю, при этом в последнем случае будет считаться, что кабели, припаянные к заданному элементу, находятся в состоянии короткого замыкания или разомкнутой цепи (см. Фиг. 3b).

Если это так, дефект, таким образом, обнаружен и локализован, и подвергается обработке (этап 37).

Если нет, считается, что рассматриваемый излучающий элемент находится за пределами поля допуска (этап 38).

Изобретение относится к способу и системе для испытания антенны, содержащей множество излучающих элементов, причем перед испытываемой антенной помещают массив из одного или более зондов и выполняют следующие этапы: прием массивом из одного или более зондов или излучающими элементами испытываемой антенны радиосигнала, излучаемого испытываемой антенной, или массивом из одного или более зондов, восстановление обратного распространения излучаемого сигнала посредством вычисления сигнала, принимаемого различными зондами из массива из одного или более зондов или излучающими элементами испытываемой антенны, испытание сигнала, восстановленного таким образом, или его параметров для обнаружения потенциального дефекта антенны. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ испытания антенны, содержащей множество излучающих элементов, причем перед испытываемой антенной помещают массив из одного или более зондов и выполняют следующие этапы:

- прием каждым зондом из массива из одного или более зондов радиосигнала, излучаемого испытываемой антенной, или прием испытываемой антенной радиосигнала, излучаемого каждым зондом из массива из одного или более зондов,

- восстановление обратного распространения сигнала, принятого или излученного каждым зондом из массива из одного или более зондов, посредством вычисления сигнала, принятого или излученного различными зондами из массива из одного или более зондов, причем при восстановлении обратного распространения восстанавливают сигнал по поверхности, близкой или совпадающей с излучающими элементами испытываемой антенны,

- испытание сигнала, восстановленного таким образом, или его параметров для обнаружения потенциального дефекта антенны; и

- сравнение амплитуды и/или фазы сигнала, восстановленного таким образом, для каждого из излучающих элементов испытываемой антенны с амплитудой и/или фазой сигнала, восстановленного для соответствующих излучающих элементов золотой антенны, применяемой в качестве эталона, при этом результат сравнения используют для принятия решения об обнаружении дефекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дефект обнаруживают для заданного излучающего элемента испытываемой антенны, причем амплитуда и/или фаза сигнала, восстановленного для соответствующего элемента золотой антенны и для указанного излучающего элемента испытываемой антенны, отличаются друг от друга, выходя за пределы заданного поля допуска.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при обнаружении дефекта проверяют, произошел ли обмен местами между двумя излучающими элементами, соответствующими двум перпендикулярным поляризациям.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что амплитуду сигнала, восстановленного для указанных излучающих элементов, сравнивают, и результат этого сравнения используют для обнаружения того, произошел ли обмен местами между этими двумя излучающими элементами.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что, если для заданного излучающего элемента испытываемой антенны обнаружено, что никакого обмена местами не происходило, дополнительно выполняют испытание, чтобы определить, находится ли указанный излучающий элемент в состоянии короткого замыкания/разомкнутой цепи.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что определение того, находится ли указанный излучающий элемент в состоянии короткого замыкания/разомкнутой цепи, включает в себя испытание на уровне амплитуды восстановленного сигнала.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что выполняют следующие испытания:

- передача массивом из одного или более зондов заданного радиосигнала, подлежащего приему испытываемой антенной;

- прием указанного радиосигнала каждым из излучающих элементов заданного порта;

- объединение и передача сигналов, принятых указанными излучающими элементами, анализатору;

- для каждого порта испытываемой антенны, обработка переданного сигнала и принятого сигнала для измерения коэффициентов передачи для каждого зонда массива.

8. Испытательная система для испытания антенны, содержащей множество излучающих элементов, при этом указанная система содержит массив из одного или более зондов, выполненный с возможностью его расположения перед испытываемой антенной, и дополнительно содержит векторный анализатор цепей или любые измерительные приборы, выполненные с возможностью измерения амплитуды и фазы, управляемые компьютером, при этом предусмотрена возможность программирования указанных анализатора и/или компьютера для выполнения различных этапов способа по любому из предшествующих пунктов.

9. Испытательная система по п. 8, отличающаяся тем, что массив представляет собой линейный массив зондов.

10. Испытательная система по п. 8, отличающаяся тем, что массив содержит множество зондов, распределенных по поверхности.