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第五代行動通訊的特色 - 使用波束形成技術
● 使用波束合成技術合成窄波束天線
● 傳輸可直接傳輸到使用者,或透過多重反射
● 使用毫米波頻段來達到窄波束、波束合成天線的功能
使用無向性天線的通訊系統 使用窄波束天線的通訊系統
UE1
物體
UE2
Beam1
Beam2
基地台UE1 UE2
基地台
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波束形成天線的特點● 尺寸小● 單元數多
http://www.microwavejournal.com/articles/27830-ibm-and-ericsson-announce-5g-mmwave-phase-array-antenna-module
From 中正電磁系統實驗室 http://www.towerjazz.com/prs/2015/0514.html
28 GHz Phase array 38 GHz Phase array 60 GHz Phase array
5
波束形成天線量測的挑戰
● 多使用二維陣列● 體積很小
– 固定不易,接頭容易影響場形
● 在兩個維度下都是窄波束– 量一個切角已不夠使用– 需要二維掃描量測
● 兩個維度下都需要波束合成– 有非常多種狀態需要量測
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波束形成天線量測的挑戰以及解決方案
● 多使用二維陣列● 體積很小
– 固定不易,接頭容易影響場形
● 在兩個維度下都是窄波束– 量一個切角已不夠使用– 需要二維掃描量測
( 量測時間非常長 )● 兩個維度下都需要波束合成
– 有非常多種狀態需要量測( 量測時間非常長 )
晶片近場量測
快速量測內插法
網路分析儀
探測天線
P1
P2P3Pn 量測平面
天線 1天線 n-1
多埠量測
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晶片天線近場量測平台
Zuo-Min Tsai, Yi-Ching Wu, Shih-Yuan Chen, Tennyson Lee, and Huei Wang, “A V-band on-wafer near-field antenna measurement system using an IC probe station,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, pp. 2058-2067, April 2013.
15
用探針台量測晶片的例子 I( 毫米波放大器 )
待測晶片
ZM Tsai, HC Liao, YH Hsiao, H Wang ,” A 1.2 V broadband D-band power amplifier with 13.2-dBm output power in standard RF 65-nm CMOS,” IMS, 2013
探針
探針
19
台大無反射實驗室照片
http://www.ew.ee.ntu.edu.tw/intro/labs/lab_nr.htm
29
所設計的系統圖
AUT
Receive antenna
Extension module
2 AxisPlanar Positioner
Microscope
Probe Holder
Probe
Probe Station
Ds
Dr
Chuck
ReflectiveObjects
Absorbers
h
Power Amplifier
Vector Network Analyzer(VNA)
PC
Port1
Port2
Extension module
x
y
z
37
突破遠場的限制 ( 近場量測 )
x
y
z
Receive antenna
AUT(0,0,0)
Probe
Scanning Plane(xmin,ymax,h)
(xmax,ymin,h)
(xmax,ymax,h)
(xmin,ymin,h)
h
遠場行為可由近場掃描做積分得來(海更士原理 )
38
突破遠場的限制
● 先量測一個已知的號角天線試看看
Absorber
Absorber
Absorber
Receive Antenna
WR-15 Waveguides
Standard Horn
Antenna
Port1
Port2
測得的 3D 場形圖
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突破遠場的限制
● 先量測一個已知的號角天線試看看
Absorber
Absorber
Absorber
Receive Antenna
WR-15 Waveguides
Standard Horn
Antenna
Port1
Port2
量測和模擬一模一樣
40
驗證是否真的近場量測可以減少多重反射
● 將吸收體 (Absorber)拿掉之後,再量測一次
Absorber
Absorber
Absorber
Receive Antenna
WR-15 Waveguides
Standard Horn
Antenna
Port1
Port2
近場量測使得週圍吸收體的影響變得很小
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討論探針的散射問題
● 其實探針也是一個很主要的散射源
Metallic waveguide
Scattering errorsby the reflection
AUT
Receive antenna
7 mm
Probe coversthe signal
42
製作特製探針以減少探針的散射
● 其實探針也是一個很主要的散射源
20 mm
20 °
Probe Fixture
Probe TipProbe Tip Feeder
Metallic waveguide
Scattering errorsby the reflection
AUT
Receive antenna
7 mm
Probe coversthe signal
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比較兩種探針量測的結果
Metallic waveguide
Scattering errorsby the reflection
AUT
Receive antenna
7 mm
Probe coversthe signal
20 mm
20 °
Probe Fixture
Probe TipProbe Tip Feeder
橫向都沒有差
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快速內插量測法
Po-Jui Chiu, Wei-Chung Cheng, Dong-Chen Tsai, Zuo-Min Tsai “Robust and fast near-field antenna measurement technique,” International Journal of Microwave and Wireless Technologies, April, 2016.
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取樣原理及取樣點● 頻率 : 60 GHz
– 波長 0.5 cm
– 取樣間距 0.25 cm
● 掃描平面
– 20 cm x 20 cm
● 掃描點
– (20/0.5)*(20*0.5)= 1600
量測到的掃描角度
取樣間隔 =1/2 λ
4 cm 20 cm
20 cm
這要花非常久的時間
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陣列天線問題描述● 待測物:
– MIMO 晶片天線– N 組輸入端– 可接受N組輸入訊號
● 輸入訊號的相位、強度分佈可調整此MIMO 天線的輻射場形
● 量測在不同輸入訊號之下的輻射場形 ( 場形 1 ~ 場形 n)
MIMO晶片天線, OR 陣列天線
S1 S2 Sn
場形 1
場形 2
場形 n
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Φ Φ Φ
傳統解決方案的問題● 天線只限一個輸入端● 無法直接量測 MIMO 天線 or 陣列
天線● 需外加饋入裝置
– 功率分配器– 相移器
● 不同狀態場形都需要一次掃描 MIMO晶片天線
S1
場形 1
場形 2
場形 n
功率分配器
相移器
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使用多埠網路分析儀的 MIMO天線量測解決方案● Port 1 連接探測天線
● Port 2 ~ Port n 連接 MIMO 天線的輸入端
● 移動探測天線,量測位於量測平面的電場
– S21 代表由天線 1輻射的電場 E1
– S31 代表由天線 2輻射的電場 E2
– Sn1 代表由天線 n-1輻射的電場 En-1
● 總電場即為所有電場的總合 (疊加原理 )
– E = E1 + … + En-1
● MIMO 天線發射時,可借由不同的權重系數 an 來調整每個天線輻射場相位及大小
● 加權後的總電場為實際 MIMO 天線發射時的電場
– E = a1 E1 + … + an-1 En-1
網路分析儀
探測天線
P1
P2P3Pn 量測平面
天線 1天線 n-1
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