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5G 天線平面近場量測技術

蔡作敏2017/11/15, 2017/11/16

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大綱

● 5G 天的特點以及量測挑戰● 晶片近場量測平台● 快速近場量測掃描方法● 多埠量測方法● 結論

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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

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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. 

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小型天線的固定困難

● 小型天線需組裝後才有辦法量測● 不易直接量到天線本身● 會同時量到組裝元件及天線● 能否直接量測天線 ?

From 中正電磁系統實驗室

天線本體

搭配的系統組裝元件

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晶片天線以及收發機

● 毫米波天線沒有比收發機來得大

晶片天線收發機

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如何「直接量測」裸晶 ?

傳輸線連接裸晶

以及傳輸線

Cable 接頭

探針頭 RF 探針( 將晶片接點轉成 Cable 接頭 )

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RF 探針的針尖結構

100 um

針尖示意圖、每一廠家各自有不同的專利

0.1 mm

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探針的特性

● 讓晶片訊號傳到連線接上● 可重覆使用 IC● 很貴 (3 萬到 15 萬不等 )● 超容易壞

– 摸到– 摔到– 撞到– 電流過大– 震動到

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探針需搭配相關設備 (I)

防震桌讓地面的震動不會傳到探針座上

探針

連接線

探針移動座讓探針可以上下左右前後移動

下探針瞄準用

>100 公斤重的大理石板

打氣瓶，用氣壓抬起大理石板

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探針需搭配相關設備 (II)● 台灣大學無塵量測室

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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

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晶片天線以及收發機

● 毫米波天線沒有比收發機來得大

晶片天線收發機

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晶片天線以及收發機

● 毫米波天線沒有比收發機來得大

晶片天線收發機

如何量測晶片天線 ???

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天線場形量測概念

● 轉動待測天線，量測由 P1 到 P2 的穿透系數

發射天線 待測天線

做二維度的旋轉

VNAP1

P2

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台大無反射實驗室照片

http://www.ew.ee.ntu.edu.tw/intro/labs/lab_nr.htm

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傳統量測方法量測晶片天線

● 使用高頻接頭連接天線● 接頭連接不易● 接頭損耗過高● 晶片易損壞● 太小的晶片還是

無法連接

發射天線

待測天線做二維度的旋轉

VNAP1

P2

高頻接頭

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手動 On-Wafer 量測場形機台運作原理

待測天線

發射天線

VNA

旋轉不同的角度來量測不同的場形

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手動量測機台架設照片

顯微鏡：下針用、量測時會移開讓電磁波輻射

手動角度調整器：手動做正負 15 度的調整

防震桌

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手動量測機台架設照片

顯微鏡：下針用、量測時會移開讓電磁波輻射

手動角度調整器：手動做正負 15 度的調整

防震桌

手工調角度太麻煩，量一個場形要好久且好煩

周圍太多金屬，使得散射太嚴重

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解決散射問題 (做一個沒有反射探針台 )

From：中正電磁晶片組

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解決散射問題 (做一個沒有反射探針台 )

From：中正電磁晶片組

實驗室空間不夠，放不下新的探針台了

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On-Wafer 天線量測系統的基本想法

● 有沒有辦法讓量 IC 天線像量 IC 一樣簡單呢 ?– 使用現有的探針台改裝– 使用最低的成本– 不需額外儀器– 量測要準確

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毫米波晶片近場 On-wafer 天線量測平台的開發

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改善現有系統

使用一般探針台發射天線不用圓弧轉，改用平面型掃描。如此就可以掃2D 場形

散射問題先不管他了(假設高頻的大氣衰減很大 )

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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

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第一次改進的系統

平面移動的馬達

毫米波模組 ( 量測50 GHz 的訊號就要使用 )

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第一次量測結果

● 量測和模擬天差地遠

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第一次量測推測原因

周圍散射體過多，因此加上吸波塊

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第一次量測推測原因

周圍散射體過多，因此加上吸波塊

仍然失敗散射依然很強

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第二次量測推測原因

待測物距離發射天線太遠，使得反射路徑變多

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第二次量測推測原因

待測物距離發射天線太遠，使得反射路徑變多

最有效的降低多重反射路徑的方法就是縮短兩天線的距離

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遠場的限制

● 天線的增益定義為遠場。● 遠場條件為● 以此天線為例子，則遠場要超過 20 cm 才成立● 20 cm 的距離會有太多的多重反射，因此要突破遠場的限制

20 cm

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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 )

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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

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

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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

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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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使用特製探針量測晶片天線

Testing Range

Receive Antenna

Probe

AbsorbersAbsorbers

Absorbers

AUT

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晶片天線量測結果

這邊怪怪的還是有些微的多重反射

20 mm

20 °

Probe Fixture

Probe TipProbe Tip Feeder

這邊被遮住了

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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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討論探針結果與週圍的散射影響● 差異很小，因此探針量測場形的誤差幾乎全來自

探針，而非週邊的設備

Ripples

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晶片天線近場量測技術小結

● 近場量測技術可有效的減少探針台對天線的影響

● 晶片天線量測主要誤差來自探針

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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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近場天線量測平面及取樣原理

量測到的掃描角度

取樣間隔 =1/2 λ

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取樣原理簡述● 任意訊號數位化

– 取樣頻率 > 2f– f : 訊號最高頻率

量測到的掃描角度

取樣間隔 =1/2 λ

取樣點 n

取樣點 n+1

極端狀況 (側向波 ) 需要 1/2 λ

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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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突破的可能

量測到的掃描角度

取樣間隔 =1/2 λ

正上方波，不需要 1/2 λ 的取樣率

這一區不需要取太密 (變化不大 )

這一區要取密一點 (變化較距列 )

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內插法加上疊代法

掃描平面

利用四角量測點做內插滿足 1/2 λ 取樣原理

因為有了新的點，可以做細部內插

第一次量測的場型

第二次量測的場型

若很接近，就不需再做內插了

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演算法以及區塊的切分

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量測平台 (15 GHz 天線平台 )

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待測物 ( 兩個擺放角度不同的天線 )

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取樣點的減少以及誤差的關係

● 完整取樣點 : 2601 點● 可依近場量測誤差取樣，或遠場量測誤差取樣

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量測結果

全取樣(2601 點 )

部分取樣(<1000 點 )

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量測結果● 內插結果接近全取樣結果

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取樣點的位置

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快速近場量測技術小結

● 1/2 波長的取樣原理其實有可能不會遇到這麼嚴格的情況

● 可使用內插、求誤差、再內插的疊代方法來加快量測速度

● 最快可以少 1/3 的時間

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多埠天線量測技術

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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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傳統晶片天線量測平台解決方案● 待測天線置放於固定位置上● 移動探測天線

● 利用網路分析儀量測不同方位角的 S21 以量出場形

網路分析儀

P1

P2

待測天線

探測天線

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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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多埠天線量測方案小結

● 使用多埠天線量測，可以有效的量測 MIMO天線以及陣列天線

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結論

● 晶片天線近場量測技術– 適用於毫米波晶片天線

● 快速天線量測技術– 適用於快速、單一場型天線量測

● 多埠天線量測技術– 適用於MIMO天線、陣列天線量測