1前言
最近几年，集成电路得到了飞速的发展。体积越来越小，工作频率越来越高，电路集成度越来越高，功耗越来越低，这一切都在促进着 IC的发展。毫米波单片微波芯片（MMIC）在雷达和通讯等领域得到了广泛应用[1]。随着深亚微米和微纳加工技术的不断完善，毫米波 CMOS电路的设计和制造已有了很大的发展空间，因此，芯片上的天线将会是一种新的发展趋势。
所有天线都采用一个特性参量来估计天线的特性，这些特性参量包括天线阻抗，方向特性，增益，极化，波束宽度和天线模式特征[2]。该系统的特征参量直接影响到其工作质量，也直接影响其使用环境和使用领域，因此，必须通过对其各项指标的检测来验证其在研制和制造中的工作效果。在此基础上，研制了一套用于芯片上天线性能试验的芯片阵列。
2系统总体设计
该装置由矢量网络分析仪，系统原理框图如图1，转台控制装置， S参数检测装置，以及信号处理装置等组成。矢量网络分析器产生的高频信号通过 S参数检测模块进行分频，然后送到矢量网络分析仪，再将该信号与接收端的本振源进行混合，获得一个中间频率的信号，作为它的检测用。采用片上天线馈电台实现四维可调，借助电镜观测，调整探头与片上天线馈源的定位，实现从显示屏上观测到的探头与片上天线馈源的定位，然后将探头下移，实现馈入[3]；将接收组件与接收天线安装在试验台俯仰轴线上，实现方位、俯仰、偏振旋转；旋转台俯仰轴线可调，可调整的测量间距，实现近、远场测量，可获取片上天线各方位的幅值、相位等参数。
图1 系统框架
2.1数据采集与处理模块
在整个天线测试中，数据的获取和分析是整个测试系统中最重要的一环[4]。该系统采用了先进的电子测试和电脑处理方法，实现了数据采集，预处理，去毛刺，归一化，最后输出。
2.1.1数据收集
(1)与仪表通讯：仪表之间的通讯：仪表与仪表之间通过 WSA库通讯，完成仪表的设定及数据的读出[5]。
(2)参数的组态与读取：在测试之前，本装置透过介面接受使用者设定的频率范围及扫描速度等设定，并将设定好的设定资料输入至对应的量测装置。在测试中，通过对接收到的信号进行分析[6]。
(3)数据同步获取：为了保证测试结果的完备性与一致性，当导轨马达带动测试装置绕着天线转动时，光谱与信号源等仪器可实现对数据的实时获取[7]。
2.2预处理技术
在获取的数据中往往含有一些不完美的信息，如环境噪声和仪器噪声，需要对其进行滤波和数据校正，以获得更加精确和光滑的测量数据，从而改善数据的品质[8]。
在这些方法中，标准化是最主要的。标准化过程用于资料分析与资料处理，其基本目标就是把资料按一定的比例缩小，使各种尺度、维度的资料可以方便地进行对比与分析。该方法可以保证测试数据的一致性与可比较性，从而提高了后继算法的执行速度。
该算法针对不同的测试对象，选取适当的标准化算法，保证了各测试点的一致性。比如：当资料变动的幅度是一定的时，应以最大-极小标准化为原则[9]；当资料的分配近似于常态的情况下，选取 Z值标准化。对这些结果进行了进一步的分析，并进行了特征提取。
2.3光顺加工
在实际的测试中，受噪音的干扰，所得到的测试曲线上可能存在大量细小的毛刺，从而对测试结果产生不利的影响。为此，必须对观测资料点的局部特性进行解析，找出其中出现的异常值，再对其进行光滑。
图上的突变点不一定都是无用噪音。因此，不能只根据有无突变点就断定是毛刺。要进行高效的去毛刺处理，必须对各折点的特性进行详细的研究，找出因测试和噪音引起的毛刺，而这些毛刺又是反映天线特性的关键参数[10]。参考地理学关于山地的划分思路，以高程为依据，把山地分为多山、低山、中山、山地四个等级；同样地，对于每个折点处，也可以设置一定的评判准则，以此来判定这些折点处的突变点，也就是我们所说的“折皱特性数值”，以此来衡量折点处的显著程度。
“折叠本征值”的计算方式为：在曲线上某一折点上，与其前、后两个邻近点相比，其数值一般都有明显增加。在此基础上，提出了一种新的“折叠特性值”的新方法，即通过对这个点和它前面的邻近点值之间的差值进行分析。若这一差异超过了设置的临界值，就不会认为是毛边[11]；当差异不大于临界值时，它被认为是一个脉冲，然后用前面和后面两个点的平均值代替它。
2.4主要绩效指数抽取模型
本文提出了一种利用链路搜索与数据比对相结合的方式对目标波束指向、波束宽度、副瓣电平以及它们的位置进行辨识与检测。经过对采集的信号进行分析，得到波束指向，最大增益，3 dB波束宽度，副瓣电等重要参数。
以光束定向为例子，波束指向是指天线的主瓣处的最强烈辐射，其定向的核心是求取其最大值，其所取的方位就是光束的指向。该函数的基本思想是：在一个列表中，通过查找具有度量信息的列表，在一个列表中，通过比较各个元素中表示等级的各个变量，从而找出最大等级所对应的目标。当一个物体被标识为一个最大的等级时，它就会被加入一个相应的矢量。考虑到很多点的最大值都是一样的，但是这些点之间的夹角是不一样的，那么就需要对这些点重新进行遍历，找出这些极大值，然后把这些极大值都加到这个矢量上。该方法在提取最小点的同时，也为以后的边界产生提供了一个参数。
副瓣级是指在天线的辐射模式中，除了主瓣之外，其它方位的最大功率场，其测量方法和光束指向法相似，所不同之处是必须剔除掉最大功率点。在遍历列表时，忽略最大电平的结点，在其余的结点中搜索最大的一个点作为副瓣级别，并把它的指针存入相应的矢量。当同时出现多个同一子瓣级的情况时，该系统会对其重新进行对比，以确定并记录了全部有关的节点。
3基于球面波展开的球面近远场变换技术
在无源区中，任意一种单一频率的波均可被视为由一组具有同一频率的面内波在不同方向上的迭加而成。本项目拟发展一种利用球面波去包裹的近场近场转换方法，实现对待测芯片上的近场、近场转换，获取待测芯片上的远场数据[4]。如图2所示为球面近场技术仿真验证模型，待测天线工作频率为8GHz,天线口径大小约0.15m,0扫描范围-168,75°~168.75°,间隔2.25°,p扫描范围-180°~180°,间隔2°,近场测试距离为0.5m,对仿真得到天线远场进行模式展开,其Mmn、Nmn与m、n分布图如图3、图4所示。
图4 Nmn与m、n分布图
利用 MARS方法，将天线的远场解分为 N=20，将其与远场场 E、 H平面模拟结果进行比较，得到了与远场场模拟一致的远场波形，利用 MARS方法实现了远场处的平滑，并与远场处的模拟结果一致[5]。
在此基础上，我们将研制的毫米波芯片天线测试平台用于芯片上的实验，通过不同频率段（22 GHz,100 GHz）的外推法和实际的远区和模拟值进行比较，以检验其检测的准确性。
(1)对22千兆赫频率的点阵进行了22 GHz的近、远场延拓和模拟计算，得到了22 GHz频率点阵的球面近区和面域的模拟结果。
(2)用100 GHz频率点天线进行100 GHz的球形近、远场延拓和模拟计算。
4结论
在阐述了该系统整体结构的基础上，引入了球面近远区转换技术，并将其应用于芯片上，通过现场实验与模拟，并与现场远场进行比较，来检验该方法的精度与实用性。在5 G通信、近程通信、遥测遥感、安全监控等设备的迅猛发展下，设备正朝着高频段和小型化的方向发展，所用的天线也在迅速地向着片上型的方向发展。
参考文献
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