最低建置成本实现双极化天线数组测试

5G NR毫米波频段的FR2的应用上，为了克服毫米波频段中相对较高的路径损耗并增加波束覆盖能力，毫米波天线数组设计是重要的电路设计之一。

西安电子科技大学赵鲁豫教授的团队(后简称赵教授)进行了一款手机用毫米波天线模型研究，为一款紧凑的1×4多频段双极化毫米波数组天线(1×4 Multi-band Dual-polarization mmWave antenna array)，数组天线的整体尺寸小到可以放置于手机当中，且数组天线可以同时完全覆盖n258~n261的5G NR频段。

其中，数组中的天线单元(antenna element)更是影响整体天线数组特性的重要设计。最后在天线数组设计完成后，需藉由增益(gain)与相位(phase)调整，进一步验证天线数组在前端系统中的表现。然而，在团队完成此天线数组设计后，须完整验证波束成形辐射响应。赵教授希望测试环境能够以最低的建置成本，且活用现有的实验设备，灵活的设置波束成形测试环境。

毫米波中的应用上，波束成形为必要的技术之一。然而，为了实现波束成形的测量，天线数组设计者在测试上须面临许多的门坎。其中，波束成形辐射场型的测试中，得到单元天线的响应后，为了进一步要得波束成形场型，需要后处理(Post Processing)来模拟波束成形辐射场型，或者使用波束成形前端电路调整振幅和相位。

赵教授在进行波束成形测试前，面临以下挑战：

1.实验室希望专注于单元天线/天线数组设计，没有时间与精力去撰写波束成型后处理演算，或者进行波束成形前端电路设计；

2.如要有效率的得到波束成形结果，需要购买一套多端口向量网络分析仪(multiport VNA)，才能够支持1×4且双极化的紧凑天线。

解决方案

为达成波束成形的量测需求，且赵教授所设计的天线规格为1×4双极化天线数组， TMYTEK建议赵教授三种方案：

1.使用双埠(2 port) VNA，于微波暗室(chamber)内手动切换量测各个天线单元(element)的辐射场型(radiation pattern)，并使用后处理的方式，模拟得波束成形场型；

2.需要一台8埠(8 port)以上的向量网络分析仪，于微波暗室内量测直接各个天线单元的辐射场型，一样使用后处理的方式，模拟得到波束成形场型；

3.使用现有2埠VNA加上BBox One，于微波暗室内藉由BBox实际调控振幅与相位，直接量测到波束成形场型。

然而，第一种方案较为耗时；第二种方案仪器建置成本昂贵，且多条缆线在微波暗室中不易架设，甚至可能在量测时成造成绞线，进而破坏量测环境或待测物(DUT)；此外，上述前两种方案皆使用后处理，利用「模拟」的方式，演算出波束成形的辐射场型。

因此，赵教授采用第三种方案，完整测试系统(图1)共包含：TMYTEK Keysight N5225A VNA、28GHz BBox One、天线暗室、AUT (赵教授设计的1×4宽带5G毫米波双极化终端天线)。

图1：1×4天线研究环境架构图。

 

 

图2：天线原型和测量环境设置。(a)赵教授的四单元天线数组原型；(b)S参数测量环境设置；(c) BBox和AUT的测量设置：(d)辐射模式的测量设置。

TMYTEK的BBox系列产品，可以帮助天线设计者节省时间与精力，免去撰写波束成形算法或额外的波束成形前端电路设计。BBox套件可以为毫米波天线设计提供波束成形所需要的振幅和相位控制功能，并且简单的图形化控制接口让天线研发者甚至可以轻松设定需要辐射的角度。这使得天线设计者可以专注于天线的开发，并且简单轻松透过BBox系统验证天线产品的效能，而无需担心波束成形算法或波束成形电路。

同时，BBox可以有效地帮助赵教授节省建置成本而又能建立多通道测试的实验环境。BBox One拥有16个独立RF通道，可个别控制相位与振幅，赵教授只需在BBox One接上实验室原有的二通道VNA，就能实际测试1×4双极化天线的不同角度天线场型，确认实际的天线效能与理论仿真之间的数据比较，对于需要量测波束场形(beamforming pattern)的赵教授来说，此方案最为简单、方便及实惠。

 

表1：各种波束成形辐射场型测试方案比较。

 

 

波束扫描能力是5G手机中毫米波天线数组的关键特性，因此赵教授使用所提出的毫米波天线搭配BBox One 28 GHz做不同角度的波束角度量测(beam angle)，并且与仿真数据做搭配比较。如图3~4所示，赵教授在26.6GHz下测量天线数组的波束扫描能力，并且扫描0~60度的波束扫描角度。最终测量结果与模拟差异小于0.2dB，并且在正负60度区间都有良好的波束成形特性。

 

图3：天线数组在theta = 90°平面内的2D波束扫描方向图。(左)天线仿真的极化量测图，26.6GHz下的+45度操作频率26.6GHz，极化方向为+45度的天线场型仿真图；(右) 天线仿真的极化量测图，在26.6GHz下的+45度操作频率26.6GHz，极化方向为-45度的天线场型仿真图。

 

 

图4：天线数组在theta = 90°平面内的2D波束扫描方向图。(左)在26.6GHz下的+45度极化量测图，操作频率26.6GHz，极化方向为+45度的天线场型量测图；(右)在26.6GHz下的-45度极化量测图，操作频率26.6GHz，极化方向为-45度的天线场型量测图。

 

图5：TMYTEK为BBox One使用者所开发的GUI，可直觉控制每个通道的振幅与相位。

 

采用TMYTEK BBox One方案，赵教授在预算内成功完成1×4双极化天线验证实验，比起传统使用8信道VNA仪器测试，采纳BBox One方案，可以轻松升级2端口VNA，完成其天线测试实验。拥有16个独立RF通道，BBox One适用教授各种天线的多样化配置，并进入OTA暗室(OTA Chamber)做波束场型的量测，实际验证天线效能。同时使用了TMYTEK设计GUI，其简易操作接口，教授无需担心波束成形算法问题，也让整个天线验证变得更加轻松容易。

参考数据：

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.