JP2023510754A

JP2023510754A - ビームフォーミング装置の試験

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Publication number: JP2023510754A
Application number: JP2022541838A
Authority: JP
Inventors: ロゼナウアー、デニス; ヘイワード、ロジャー; スワート、ロイ
Original assignee: フォームファクター，インコーポレイテッド
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2023-03-15
Anticipated expiration: 2041-01-07
Also published as: KR20220139314A; WO2021142125A1; EP4088133A1; JP7407948B2; TW202133573A; EP4088133A4; US20210211210A1

Abstract

改善されたＮポートビームフォーミング装置の電気的試験を提供する。試験のために、Ｎ対１電気ネットワークを被試験装置のＮ個のポートに接続することにより、単一の試験ポートを提供する。この試験モードは、アンテナレンジ試験や被試験装置の各ポートの特性評価よりも迅速に被試験装置の重要なパラメータ（例えば、十分遠方な領域における放射パターン等）を決定するために用いることが可能である。Ｎ対１電気ネットワークは、パッシブであっても、アクティブであってもよい。Ｎ対１電気ネットワークは、ビームフォーミング装置のプローブアレイ試験を行うために、プローブヘッドに統合されてもよい。あるいは、Ｎ対１電気ネットワークを被試験装置と一体化し、オンボード試験機能を提供してもよい。【選択図】図２

Description

本発明は、多入力または多出力のビームフォーミング装置の試験に関する。

フェーズドアレイアンテナビームフォーマーを備えた集積回路の試験は、多数の高周波ポートを有し、それらの強度（magnitude）や相対位相について試験を行う必要があるため、困難である。（例えば、図１Ａに示すような）最も直接的な解決策は、マルチポートベクトルネットワークアナライザを用いることにより、ＲＦ入力からそれぞれのビームフォーミング出力までの伝送パラメータ（Ｓ２１）の強度を測定することである。多くの場合、集積回路内には周波数を変換する回路が含まれており、当該周波数変換部分について考慮する必要があるため、この測定は非常に困難なことがある。

さらに、出力の数が非常に多くなることもあり、出力ごとの試験には多大なコストや時間がかかる傾向にある。

（例えば、図１Ｂ上部に示すような）他の従来の試験方法として、ビームフォーマーをアンテナテストレンジに配置し、ビーム幅、サイドローブ抑制、及びステアリング性能等の関連パラメータの観点からその性能の特性を直接評価する方法がある。より具体的には、アンテナテストレンジを用いた従来のビームフォーマーの試験は、ビームフォーマーを一組の放射素子に接続することによって行われる。このような素子には、個別のダイポール、またはパッチアンテナアレイのパッチがある。そして、ビームフォーマー及び放射素子をアンテナテストレンジに配置し、放射パターンやサイドローブ等をチェックする。結局のところ、一般的に、（例えば、素子３のようなもののＳ２１振幅と位相の）素子レベルの仕様については、関連するパラメータに影響を与える範囲内においてのみ、考慮する必要がある。しかし、この方法にも欠点があり、その最たる点はアンテナテストレンジを用いる点である。

本研究では、ビームフォーミング装置のための新たな試験コンセプトを提供する。その主なアイデアは、被試験装置の複数の出力（または入力）に直接接続されたアクティブまたはパッシブビームコンバイナを、試験装置の一部として提供することである。これにより、試験に必要な入力／出力が単一になり、試験に要する時間や必要な試験装置の複雑さが大幅に軽減される。また、この単一の入力／出力により、アンテナテストレンジを用いることなく、関連する装置のパラメータを効果的に測定することが可能になる。

いくつかの簡単な例により、コンセプトを明確化することが可能になる。

被試験装置は、指定された角度範囲での狭いビームを制御することを目的としたＮ出力ビームフォーマーであると仮定する。ビームコンバイナは、パッシブ式でバランスの取れたＮ対１コンバイナとする。この場合、ビームコンバイナは被試験装置に対し、遠方界（far field）における事実上の「軸上」に配置される。被試験装置を制御してビームステアリングすることにより、ビームコンバイナは、遠方界の軸上における観測点においてビームがどのように観測できるかを効果的に知ることが可能となる。アンテナテストレンジ内の遠方界の軸上に配置された検出器との類似性は非常に高い。

ビームコンバイナが能動素子である場合、より高度な操作が可能である。例えば、ビームコンバイナの入力の位相をシフトすることで、被試験装置に対して、制御可能な軸外の位置に仮想的に配置することができる。ここでは、アンテナテストレンジの遠方界の軸外に配置された検出器を例に挙げている。

本アプローチの重要な利点は、上述したようなビームコンバイナを、電気回路の試験を行うためのプローブアレイと一体化することが可能な点である。これにより、チャネル毎の詳細なＲＦ特性評価の実施や、被試験装置を物理的なアンテナテストレンジに持ち込む必要がなく、効率的なプローブベースのアプローチでビームフォーミング回路を試験することが可能となる。

このようなプローブアレイは、垂直プローブアレイまたはメンブレンプローブアレイであってもよい。ビームフォーミングネットワークをケーブルでプローブに接続することにより、外部のビームフォーミングネットワークをエンジニアリングプローブに追加してもよい。ケーブルの長さ、従って位相を調整することにより、ビームステアリングを行ってもよい。また、上述したビームコンバイナを被試験装置に統合することも考えられる。これは、ビームフォーミング装置のオンボード診断に用いられてもよい。

大きな利点が提供される。

（１）テスターに必要なＲＦ試験ポートの数が減り、試験が簡素化される。（２）パッシブ型Ｎ対１ビームフォーミングネットワークの場合、位相較正は不要となる。（３）アクティブビームフォーミングネットワークを用いることにより、非常に汎用性の高い試験システムを作ることが可能となる。（４）本アプローチは、アンテナレンジ測定よりも高速である。また、ＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）やＶＳＡ（ベクトルシグナルアナライザ）によるポートごとの測定よりも高速である。（５）本アプローチにより、オンチップでの統合的な試験が可能となる。

マルチポート装置のための従来の２つの試験アプローチを示す図である。マルチポート装置のための従来の２つの試験アプローチを示す図である。本発明の実施形態の試験コンセプトを模式的に示す図である。例示的なパッシブ信号スプリッタを示す図である。例示的なアクティブ信号スプリッタを示す図である。例示的なアクティブ信号コンバイナを示す図である。図５Ｂ～５Ｅの結果に対する模擬試験構成を示す図である。物理的にシミュレートされたビームパターンを、本発明の実施形態によるシミュレートされた試験によって決定されたビームパターンと比較する図である。物理的にシミュレートされたビームパターンを、本発明の実施形態によるシミュレートされた試験によって決定されたビームパターンと比較する図である。本発明の実施形態による模擬試験により決定された、正常なビームフォーマーと欠陥のあるビームフォーマーのビームパターンとを比較する図である。本発明の実施形態による模擬試験により決定された正常なビームフォーマーと、欠陥のあるビームフォーマーのビームパターンとを比較する図である。プローブヘッドとの統合に適した例示的なパッシブ信号スプリッタ（またはコンバイナ）を示す図である。図６Ａの装置と垂直プローブのアレイとの統合の一例を模式的に示す図である。図６Ａの装置とカンチレバープローブのアレイとの統合の一例を模式的に示す図である。アクティブ信号スプリッタ（またはコンバイナ）とカンチレバープローブのアレイとの統合の一例を概略的に示す図である。本発明の原理による試験回路と被試験装置との統合の例を示す図である。本発明の原理による試験回路と被試験装置との統合の例を示す図である。本発明の原理による試験回路と被試験装置との統合の例を示す図である。１次元アレイの一例を示す図である。２次元アレイの一例を示す図である。

図１Ａ～１Ｂは、マルチポート装置のための従来の２つの試験アプローチを示す。図１Ａの例では、被試験ビームフォーミング装置１０２は、ベクトルネットワークアナライザ１０４に接続されている。これは、被試験装置の各ポートを個別に試験するための機能を提供するが、上述した通り、時間がかる上に、正常な動作であることを確認するために必要な情報よりも得られる情報が多くなってしまうことがある。図１Ｂの例では、被試験ビームフォーミング装置（被試験装置）１０８は、アンテナレンジ１１２において、試験ソース１０６により駆動される。その結果、被試験装置１０８の遠方界でレシーバ１１４を作動させることにより、及び／または被試験装置１０８でビームステアリングすることにより特性評価を行うことが可能となるビームパターン１１０が得られる。代替的に及び／または追加的に、遠方界における放射パターンの特性評価を迅速化するために、複数のレシーバを使用してもよい。しかしながら、アンテナレンジでの試験は、コストと時間がかかる。

図２は、本発明の実施形態の試験コンセプトを模式的に示したものである。ここでは、被試験装置２０４が、単一の試験入力／出力２０８に接続された他のビームフォーミングネットワーク２０６に接続されている。ここで、符号２０２は被試験装置２０４の試験Ｉ／Ｏであり、符号２１０は、少なくとも被試験電気装置を制御して被試験電気装置の特性評価を提供するように構成された試験コントローラである。試験コントローラ２１０はまた、ビームフォーミングネットワーク２０６及び／または被試験装置に提供される試験入力を制御するように構成されてもよい。試験コントローラ２１０と他の構成要素との間の接続について、特にこれらの接続のいくつかは任意であり、図中での混乱を避けるために示していない。

以上のように、この試験構成は、試験時間とコストを大幅に削減し、かつ、アンテナレンジテストを効果的にシミュレートすることが可能となる。個々のビームフォーミング信号を電気ネットワークで結合することにより、合成されたソースアンテナと受信アンテナに相当するものを空間で合成することが可能となる。これにより、実際に信号を放射することなく、空間におけるアンテナパターンに相当する電気計測を行うことが可能となる。これにより、ビームフォーミングネットワークを実際にアンテナアレイに接続してアンテナテストレンジで試験することなく、効果的に試験を行うことが可能となる。要するに、我々は「仮想アンテナレンジ」を作り上げた。アンテナ及びレンジの測定は相互に影響し合うため、レシーバとソースを入れ替えても同様の結果を得ることが可能となる。

より具体的には、本発明の例示的な実施形態は、被試験Ｎポート電気装置の電気的な試験を行うための装置であり、該装置は、（例えば、図２の符号２０４の）被試験電気装置のＮポートに直接接続されるように構成された（例えば、図２上の符号２０６の）Ｎ対１電気信号ネットワークと、（例えば、図２の符号２０８の）単一の電気試験ポートを提供するように構成された試験コントローラ（例えば、図２の２１０）と、少なくとも被試験電気装置を制御して被試験電気装置の特性評価を提供するように構成された（例えば、図２の符号２１０の）試験コントローラとを含む。

ここで、特性評価では、Ｎポート被試験電気装置のＮ個のポートを試験入力及び／または出力として個別に用いる代わりに、単一の電気試験ポートを試験入力及び／または出力として用いる。

被試験Ｎポート電気装置をビームフォーミングトランスミッタとしてもよく、Ｎ対１電気信号ネットワークは、単一の電気試験ポートが被試験Ｎポート電気装置からの出力信号を選択された遠方界における方向（direction）で提供するように、仮想アンテナレンジとして構成されてもよい。Ｎ対１電気信号ネットワークは、選択された遠方界における方向を試験コントローラによって変化させることが可能であるように、試験コントローラによって制御されるように構成されたアクティブネットワークであってもよい。これは、図１Ｂのレシーバ１１４を被試験装置１０８の遠方界で作動させることにより、被試験装置１０８の遠方界における送信パターンを測定することに類似している。

被試験Ｎポート電気装置は、ビームフォーミングレシーバとしてもよく、Ｎ対１電気信号ネットワークは、単一の電気試験ポートが選択された遠方界における方向で被試験Ｎポート電気装置に試験信号を提供するように、仮想アンテナレンジとして構成されてもよい。Ｎ対１電気信号ネットワークは、選択された遠方界における方向を試験コントローラによって変化させることができるように、試験コントローラによって制御されるように構成されたアクティブネットワークであってもよい。これは、図１Ｂのレシーバ１１４をトランスミッタに変更し、被試験装置１０８の遠方界で作動させて被試験装置１０８の遠方界における受信パターンを測定することに類似している。

このように、本発明を実施するときは、試験中の装置がトランスミッタとして動作しているか、またはレシーバとして動作しているかに依存しない。従って、１対Ｎ及びＮ対１電気信号ネットワークは、本明細書を通じて同義であるとみなされる。ここで重要なのは、Ｎ対１電気信号ネットワークによって被試験装置のＮ個のポートに接続された単一の試験ポートを介して、被試験装置が特性評価されることである。

Ｎ対１電気信号ネットワークは、図３の例のように、パッシブネットワークであってもよい。ここでは、パッシブスプリッタ３００は、図に示すように、１対２スプリッタ３０２及び伝送線路セグメント３０４から形成される。位相シフトは、スプリッタ間または出力間の伝送線路の長さを変更することにより調整することができる。図３の例では１対８スプリッタを示しているが、これを一般化して1対Ｎスプリッティング（またはコンバイニング）を提供することは、当技術分野で公知である。

Ｎ対１電気信号ネットワークは、試験コントローラによって制御されるように構成されたアクティブネットワークであってもよい。図４Ａは、例示的なアクティブ信号スプリッタ４００（例えば、受信モードの被試験装置を試験する際に用いるもの）を示している。図４Ｂは、例示的なアクティブ信号コンバイナ４１０（例えば、送信モードの被試験装置を試験する際に用いるもの）を示している。これらの例では、伝送線路セグメントは符号４０２、１対２（または２対１）スプリッタ／コンバイナは符号４０４、可変位相シフタは符号４０６、可変利得は符号４０８として参照される。このような可変位相及び利得を提供するための装置は、当技術分野で公知である。位相シフトを変更することにより、ビームを動的にステアリングすることが可能となり、利得を変更することにより、サイドローブレベルを変化させることが可能となる。これは、ビームフォーミング集積回路にとって一般的な構造である。

この試験コンセプトが上述したように機能することを確認するために、シミュレーションを実施した。図５Ａは、模擬試験構成を示し、図５Ｂ～５Ｅはその結果を示す。シミュレーションは、送信ビームフォーマー５０４に提供されるソース５０２を含む。送信ビームフォーマー５０４は、被試験模擬装置である。シミュレーションでは、受信ビームフォーマー５０６（すなわち、上述したようなＮ対１電気信号ネットワークのシミュレーション）及び単一の試験ポート５０８も含んでいた。受信ビームフォーマー５０６は、送信ビームフォーマー５０４に効果的に向けられた指向性受信アンテナとして動作するように、その位相シフトネットワークによって生成されたパターンを有する受信アンテナとして動作する。

図５Ｂ～５Ｃは、物理的にシミュレートされたビームパターンと、本発明の実施形態によるシミュレーション試験によって決定されたビームパターンとを比較するものである。ここで、図５Ｃは、図５Ｂのデータの極座標プロットであり、物理的シミュレーションの結果は実線５１４で示され、本発明の実施形態のシミュレーションの結果は破線５１６で示されている。

より具体的には、模擬被試験装置５０４のパラメータに基づき、電磁界シミュレータで物理的シミュレーションを行った結果である。実線５１４は、結果として得られた模擬被試験装置５０４の遠方界における放射パターンである。破線５１６で示す結果は、受信ビームフォーマー５０６において適切な位相シフトを用いて図５Ａの構成をシミュレートし、上述したように遠方界における角度を仮想的に生成することにより得られたものである。図５Ｂ～５Ｃから分かるように、２つのシミュレーション結果の一致は良好であり、この「仮想アンテナレンジ」のコンセプトを証明している。

このコンセプトの更なる検証は図５Ｄ～５Ｅに見られるが、これらは本発明の実施形態による模擬試験によって決定された、正常なビームフォーマーと欠陥のあるビームフォーマーとのビームパターンを比較するものである。ここで、両方のプロットにおける符号５１８は、図５Ａにおける正常に動作する送信ビームフォーマー５０４のシミュレートされた性能を示す。図５Ｄにおける曲線５２０は、送信ビームフォーマー５０４における第１のシミュレートされた障害状態（ビームの１つにおける振幅障害）の結果を示している。図５Ｅにおける曲線５２２は、送信ビームフォーマー５０４における第２のシミュレートされた障害状態（ビームの１つにおける位相障害）の結果を示している。両方の場合において、障害は、正常な動作に対するシミュレーション結果に実質的な差異をもたらす。これは、本明細書に記載されるような試験が、ビームフォーミング装置の現実的な障害を検出するのに十分な感度を有することがあることを示している。

Ｎ対１電気信号コンバイナは、電気装置を試験するためのプローブアレイと統合することが可能であるため、被試験Ｎポート電気装置は、プロービングを通じて試験することが可能である。図６Ａ～６Ｄは、このいくつかの例を示している。垂直プローブヘッドにおいて、ビームフォーミングネットワークは、プリント回路基板（ＰＣＢ）、空間トランス、またはガイドプレートの層における不動態化金属構造として製造されてもよく、またはプローブヘッド内の様々な位置にアクティブダイとして組み込まれてもよい。カンチレバープローブヘッドでは、ビームフォーミングネットワークは、プローブヘッドのポリイミド層に不動態化金属構造として作製されても、プローブヘッドの様々な位置にアクティブダイとして組み込まれてもよい。

図６Ａは、プローブヘッドとの統合に適した例示的なパッシブ信号スプリッタ（またはコンバイナ）６００を示す。ここで、符号６０２は単一試験入力／出力を示し、符号６０４は被試験装置に接続するためのＮ個のポートを示す。本例は、ウィルキンソン分配器による図表である。

図６Ｂは、図６Ａの装置と垂直プローブ６１０のアレイとの統合の一例を模式的に示す図である。ここで、符号６０６は被試験装置、符号６０８はプローブアレイの底部ガイドプレートであり、プローブアレイの上部ガイドプレートは、この図中で示す場合には混乱を招くため、示していない。さらに、本発明の実施は、プローブヘッドの機械的構成の細部には依存しない。図６Ｂの実施例は垂直プローブアレイを示しているが、Ｎ対１電気信号コンバイナをカンチレバープローブのアレイと統合することも可能である。

図６Ｃ（上面図）は、図６ＡのＮ対１装置とカンチレバープローブのアレイとの統合の一例を模式的に示す図である。ここで、符号６２０はプローブヘッド用基板、符号６２２はカンチレバープローブ、符号６２４は被試験装置６０６への他の入力／出力（例えば、試験に必要な電力及び制御接続など）を示す。図６Ｄの例は、パッシブ型Ｎ対１装置６００の代わりにアクティブ型Ｎ対１装置６１６が用いられることを除いて、図６Ｃの例と同様である。接続部６２６は、アクティブ型Ｎ対１装置６１６への電源／接地／制御接続部である。ここでも、前の実施例と同様に、単一の試験入力／出力６０２のみが存在する。

Ｎ対１電気信号コンバイナは、被試験Ｎポート電気装置と一体化させてもよい。これにより、本発明の原理に従って、オンボード試験機能を提供することが可能となる。

例えば、「仮想テストレンジ」回路は、主要機能ダイと同じダイ上に作製されてもよい。これにより、試験アクセスを内蔵することが可能となる。スイッチを用いて「仮想テストレンジ」回路を起動してもよく、ＲＦポートに結合して連続的に監視されてもよい。この方法は、試験ビームフォーミングネットワークとしてダウンコンバートまたはダイレクトサンプリングレシーバを用いることにより、デジタルドメインで実装されてもよい。各ビームフォーミングチャネルの位相シフタと利得制御は、（ＦＩＲ、ＨＲ、その他の）デジタルフィルタとして実装されてもよく、利得制御は単純な乗算により算出される。いずれの場合も、受信及び送信の方向を入れ替えてもよいため、同じ方法で適切な送信ビーム形状を生成し、ビームフォーミングレシーバが十分な空間識別性を有することを確認することにより、レシーバの性能を評価してもよい。

図７Ａ～７Ｃは、このアイデアのいくつかの例を示す。全ての実施例において、符号７０２は被試験装置を示す。図７Ａでは、パッシブＮ対１電気信号ネットワーク７０４の使用例が示されている。試験ポートのビームフォーミングは、ダイ上、積層体上、またはＰＣＢ上のいずれでも可能である。結合サンプリングにより、通常動作中の試験が可能である。

図７Ｂでは、アクティブ型Ｎ対１電気信号ネットワーク７０６の使用例が示されている。試験ポートのビームフォーミングは、ダイ上、積層体上、またはＰＣＢ上のいずれでも可能である。結合サンプリングにより、通常動作中の試験が可能となる。試験ポートは、独立してビームステアリングを行うことが可能であり、通常動作中にメインビーム・パワーだけでなくサイドローブ除去についても試験を行うことが可能となる。

図７Ｃは、アクティブ型Ｎ対１電気信号ネットワークがデジタル方式で実装されるアクティブ型Ｎ対１電気信号ネットワーク７０８の使用例を示している。

一般に、先行する実施形態のいずれも、アナログ回路、デジタル回路、またはハイブリッドアナログ－デジタルシステムで実施されてもよい。さらに、（例えば、フィルタリング等の）デジタル信号処理は、ハードウェア及び／又はソフトウェアの任意の組合せで行われてもよい。

単純化するために、先の実施例では、ビームフォーミング装置を１次元アレイとして示した。また、本発明の原理を適用して、素子の２次元アレイを有するビームフォーミング装置の特性評価を行うことも可能である。図８Ａのビームフォーミング装置８０２は、１次元アレイの一例であり、図８Ｂのビームフォーミング装置８０４は、２次元アレイの一例である。Ｎ_ｘ×Ｎ_ｙ個のポートの２次元アレイを有する２次元ビームフォーミング装置の場合、Ｎ＝Ｎ_ｘＮ_ｙとするだけで、上述した説明が適用される。当然ながら、遠方界における角度に対応する位相シフトは、１次元ではなく２次元で計算されなければならないが、これをどのように行うかは、当技術分野で公知である。

Claims

被試験Ｎポート電気装置を電気的に試験するための装置であって、
前記被試験Ｎポート電気装置のＮ個のポートに直接接続され、単一の電気試験ポートを提供するように構成されたＮ対１電気信号ネットワークと、
少なくとも前記被試験Ｎポート電気装置を制御し、前記被試験Ｎポート電気装置の特性評価を行うように構成された試験コントローラと、を備え、
前記特性評価は、試験入力及び／または出力に前記被試験Ｎポート電気装置の前記Ｎ個のポートを個別に用いる代わりに、試験入力及び／または出力に単一の前記電気試験ポートを用いることを特徴とする、装置。
前記被試験Ｎポート電気装置がビームフォーミングトランスミッタであり、前記Ｎ対１電気信号ネットワークは、単一の前記電気試験ポートが前記被試験Ｎポート電気装置の出力信号を選択された遠方界における方向へ提供するような仮想アンテナレンジであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記Ｎ対１電気信号ネットワークが、前記試験コントローラによって制御されるアクティブネットワークであるように構成され、それにより、選択された前記遠方界における方向は、前記試験コントローラによって変化させることが可能であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
前記被試験Ｎポート電気装置がビームフォーミングレシーバであり、前記Ｎ対１電気信号ネットワークは、単一の前記電気試験ポートが前記被試験Ｎポート電気装置に対して選択された遠方界における方向において試験信号を提供するような仮想アンテナレンジであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記Ｎ対１電気信号ネットワークが、前記試験コントローラによって制御されるアクティブネットワークであるように構成され、それにより、選択された前記遠方界における方向は、前記試験コントローラによって変化させることが可能であることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
前記Ｎ対１電気信号ネットワークは、パッシブネットワークであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記Ｎ対１電気信号ネットワークは、前記試験コントローラによって制御されるように構成されたアクティブネットワークであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
Ｎ対１電気信号コンバイナは、電気装置を試験するためのプローブアレイと一体化されており、これにより、前記被試験Ｎポート電気装置は、プロービングを介して試験を行うことを可能にすることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
Ｎ対1電気信号コンバイナは、前記被試験Ｎポート電気装置と一体化されている、請求項１記載の装置。