KR20210021592A - 초고주파（ｅｈｆ） 무선 통신 장치의 액티브 어레이 안테나에서 결함 엘리먼트를 검출하기 위한 ｏｔａ 테스트용 시스템 및 방법 - Google Patents

초고주파（ｅｈｆ） 무선 통신 장치의 액티브 어레이 안테나에서 결함 엘리먼트를 검출하기 위한 ｏｔａ 테스트용 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

초고주파(EHF) 무선 통신 장치의 액티브 평면 안테나 어레이에서 결함있는 엘리먼트를 검출하는 시스템 및 방법. 이중 편광 변조 산란 프로브 매트릭스를 갖는 평면 안테나 어레이는 피시험 안테나(AUT)의 근거리 필드 내에 배치된다. AUT로부터 수신된 전자기 에너지는 전기 변조 신호에 의해 변조되고 산란 신호로서 방사되는 복소 전기 신호로 변환된다. 또 다른 안테나에 의해 수신되고 전기 신호로 변환된 결과적인 전자기 산란 신호는 AUT 표면으로부터 방사된 신호 스펙트럼을 재구성하기 위해 역 전파 변환을 통해 홀로 그래픽 이미지 재구성 작업에 사용된다. 이 재구성된 신호 스펙트럼과 알려진 양호한 안테나 어레이의 표면으로부터 방사된 기준 신호 스펙트럼을 비교하면 AUT 내에서 결함있는 안테나 엘리먼트를 검출할 수 있다.

Description

초고주파（ＥＨＦ） 무선 통신 장치의 액티브 어레이 안테나에서 결함 엘리먼트를 검출하기 위한 ＯＴＡ 테스트용 시스템 및 방법
(관련 출원에 대한 상호 참조)
본 개시는 2018년 7월 16일 출원된 "초고주파(EHF) 무선 통신 장치의 액티브 어레이 안테나에서 결함 엘리먼트를 검출하기 위한 OTA(Over-The-Air) 테스트용 시스템 및 방법"이라는 제하의 미국 출원 번호 16/036,522에 우선권을 주장한다. 본 출원의 전체 내용은 모든 목적을 위해 전체가 참조로 여기에 통합된다.
(기술분야)
본 발명은 무선 주파수 트랜시버 시스템의 OTA(over-the-air) 테스트에 관한 것으로, 특히 EHF(초고주파) 무선 통신 장치의 액티브 안테나 어레이에서 결함 엘리먼트를 검출하기 위한 테스트에 관한 것이다.
모바일 무선 통신 장치가 다수의 목적으로 더 널리 사용됨에 따라, 다양한 용도(예를 들어, 특히 양방향 통신에서 비디오의 스트리밍 및/또는 비디오의 더 많은 사용)를 수용하기에 충분한 신호 대역폭의 가용성이 중요한 문제가 되었다. 이로 인해 30-300 기가헤르츠(GHz)의 전자기 스펙트럼 대역에서 무선 주파수에 대한 ITU(International Telecommunication Union) 지정인 EHF(초고주파)와 같은 더 높은 신호 주파수를 더 많이 사용하게 되었으며, 여기서 라디오파는 10-1mm의 파장을 가지며 종종 밀리미터파(mmW) 신호라고도 한다.
높은 대기 감쇠로 인한 짧은 시선(line-of-sight) 신호 경로를 포함하는 다양한 이유로, 이러한 장치는 종종 액티브 어레이 안테나를 사용하여 신호 경로 길이를 최대화하기 위해(뿐만 아니라 주파수 재사용을 더 잘 할 수 있도록) 신호를 빔 형성한다. 당 업계에 공지된 바와 같이, 이러한 안테나 구조는 일반적으로 규칙적인 어레이, 예를 들어 각각 4x4 또는 5x5 어레이로 배치된 16개 또는 25개의 안테나 엘리먼트(각 전자기 신호의 방사 및 수신을 위한)의 직사각형 어레이로 배열된 다수의 액티브 안테나 엘리먼트를 포함한다. 따라서 이러한 장치를 테스트할 때, 각 액티브 안테나 엘리먼트(예를 들어, 4x4 또는 5x5 어레이에 대해 각각 모두 16개 또는 25개의 안테나 엘리먼트)를 테스트하여 장치의 설계 및/또는 성능 사양 준수 여부를 보장할 수 있는 것이 중요하다.
현재의 종래의 테스트 기술은 액티브 안테나 엘리먼트로부터 방사 에너지의 원거리 필드(far-field), 컴팩트 범위(compact range) 및 근거리 필드(near-field) 측정을 수행하는 것을 포함한다. 원거리 필드 방법은 일반적으로 멀리 떨어져 있는, 예를 들어 수 λ 떨어져 있는(여기서 λ는 방사 신호의 반송 주파수 파장) 두 장치 간의 통신에 일반적으로 사용되는 안테나의 성능을 테스트하는 데 사용된다. 이 방법을 사용하면 수신기 또는 범위, 안테나와 피테스트 안테나(AUT)는 적어도 R = 2D2/λ의 범위 거리(range distance) R만큼 서로 떨어져 있다(여기서 D는 두 안테나의 가장 큰 어퍼처 치수임). 어퍼처가 큰 안테나(예를 들어, 다수의 파장 크기)의 경우, 범위 거리 R이 클 수 있으며 이러한 방법을 사용하는 차폐된 테스트 챔버의 치수가 커진다. 따라서 원거리 필드 테스트 방법을 사용하는 테스트 시스템은 그의 크기로 인해 제조 환경에서 사용하기에 바람직하지 않다.
또한, 원거리 필드 방법은 전체 안테나 성능을 측정하고 안테나 방사 패턴을 캡처할 수 있지만, 그것은 소수의 결함 있는 엘리먼트들을 가진 완전 액티브 어레이(예를 들어, 25개 엘리먼트 중 3개가 결함이 있는 5x5 엘리먼트 어레이)를 측정할 때 합리적으로 검출할 수 있는 방사 차이가 관찰되지 않기 때문에 안테나 어레이에서 결함 엘리먼트를 안정적으로 검출할 수 없다. 예를 들어, 이러한 안테나 어레이에서 넓은 방향으로 조정된 방사 에너지의 단일 지점 측정을 사용하면 결함있는 엘리먼트가 없는 안테나 어레이에서 측정한 것과 현저한 차이(<1dB)를 나타내지 않는다. 또한, 이러한 작은 차이를 합리적으로 검출하고 측정할 수 있다고 하더라도, 결함 엘리먼트의 수나 신원을 알 수 없으며, 측면으로의 조정시 결함 엘리먼트가 있는 안테나 어레이의 측정 성능에 현저한 차이가 없어도 다른 조정 각도에서도 성능 저하가 나타날 수 있다.
컴팩트 범위 방법은 원거리 필드 방법과 일부 측면에서 유사하지만, 장치가 예를 들어, 이러한 목적을 위해 설계된 복잡한 모양의 반사경을 사용함으로써 AUT의 근거리 필드 영역 내에서 구형파를 평면파로 변환하는데 사용된다는 점에서 다르다. 그러나, 컴팩트 범위 방법은 직접 원거리 필드 방법과 같이 엔벨로프를 테스트하는데 필요한(차폐된 테스트 챔버 포함) 크기를 줄이는 데 도움이 되지만, 이 방법은 여전히 풀 액티브 동작 모드에서의 어레이의 결함 엘리먼트를 검출하고 식별할 수 없다.
한편, 종래의 근거리 필드 방법은 평면, 원통형 또는 구형 스캔을 사용하여 복소 신호(complex signal)를 캡처하는 근거리 필드 측정과 파워 크기만을 캡처하는 단순 결합 기술을 포함한다. 일반적으로 방사 근거리 필드 영역에서 복소 신호의 근거리 필드 캡처는 이롭게도 원거리 필드 성능 특성을 얻기 위해 수학적으로 원거리 필드 영역으로 변환되거나 안테나 진단 수행을 돕기 위해 안테나 표면으로 다시 변환될 수 있는 복소(complex) 데이터를 포함한다. 이러한 시스템은 또한 직접 원거리 필드 및 컴팩트 범위 시스템보다 풋프린트가 더 작지만, 그것들은 일반적으로 단일 프로브를 사용하여 로봇 암을 사용한 측정 스캔을 수행하므로 테스트된 스캔 표면(예를 들어, 평면, 원통형 또는 구형) 내에서 측정된 데이터를 얻기 위해 긴 테스트 시간이 필요하다. 측정 스캔을 가속화하기 위해 기계 장치 대신 전자 스위치 전자 어레이를 사용할 수 있지만, 대규모 스캔이 필요한 경우 필요한 대형 스위치 어레이 및 설계는 복잡하고 비용이 많이들 수 있다.
간단하고 저렴한 경향이 있고 제조 환경에서 자주 사용되는 경향이 있는 파워 크기만을 캡처하는 간단한 근거리 필드 결합 기술은 방사 파워를 캡처하기 위해 AUT 근처에 배치된 커플러 또는 안테나를 사용한다. 참조, 또는 알려진 양호한 AUT로부터의 측정된 파워를 가진 비교 파워 테스트는 AUT에 결함이 있는지 여부를 검증하는 데 사용된다. 모든 잠재적 결함을 캡처하기 위해, 커플러의 어퍼처가 AUT만큼 커야 한다. 소형(예를 들어, 2x2) 어레이의 경우, 어레이 전체에 결함이 있는지 여부를 판정할 수 있는 한 어떤 엘리먼트에 결함이 있는지 검출하는 것은 중요하지 않다. 그러나 많은 수의 엘리먼트가 있는 AUT의 경우, 결함있는 어레이 엘리먼트의 정확한 검출(들)을 보장하기 위해 모든 엘리먼트의 근거리 필드를 측정해야만 하기 때문에, 복잡할지라도, 매우 큰 어퍼처를 가진 안테나인 대형 커플러의 설계가 필요하다. 또한, 이러한 결합 방법은 정상 작동(완전 액티브 어레이) 하에 있을 때, 대형 어레이에서 개별 결함 엘리먼트를 식별할 수 없다. 그럼에도 불구하고 이러한 결합 방법은 개별 결함 엘리먼트를 검출하기 위해 개별 엘리먼트별로 테스트하는 데 사용될 수 있지만, 이는 점점 더 많은 시간이 소요되고 정상적인(완전 액티브) 동작 하에서 어레이 테스트를 가능하게 하지 않는다.
초고주파(EHF) 무선 통신 장치의 액티브 평면 안테나 어레이에서 결함 있는 엘리먼트를 검출하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 이중 편광(dual-polarization) 변조 산란 프로브 매트릭스를 갖는 평면 안테나 어레이는 피시험 안테나(AUT)의 근거리 필드 영역 내에 배치된다. AUT로부터 수신된 전자기 에너지는 전기 변조 신호에 의해 변조되고 산란 신호로서 방사되는 복소(complex) 전기 신호로 변환된다. 다른 안테나에 의해 수신되고 전기 신호로 변환된 결과적인 전자기 산란 신호는 상기 AUT의 표면으로부터 방사된 신호 스펙트럼을 재구성하기 위해 역(backward) 전파 변환을 통해 홀로 그래픽 이미지 재구성 동작에 사용된다. 이 재구성된 신호 스펙트럼과 알려진 양호한 안테나 어레이의 표면으로부터 방사된 기준 신호 스펙트럼을 비교하면 상기 AUT 내에서 결함 있는 안테나 엘리먼트를 검출할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따르면, 액티브 변조 산란 프로브 어레이는: 복수의 층을 갖는 회로 기판 구조로서, 상기 복수의 층은 전기 전도체의 교번하는 평면 층 및 적어도 하나의 유전체를 구비하는 상기 회로 기판 구조; 상기 복수의 층 중 제1 층의 제1 어레이에서 제1 공통 배향으로 배치된 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트; 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결되고 상기 복수의 층 중 제2 층에 배치된 제1 복수의 전기 신호 변조 장치; 및 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치 사이에 연결되고 상기 복수의 층 중 상기 제2 층에 배치된 제1 복수의 전기 임피던스;를 포함한다.
다른 예시적인 실시 예에 따르면, 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법은: 복수의 층을 갖는 회로 기판 구조를 제공하는 단계로서, 여기서 상기 복수의 층은 전기 전도체의 교번하는 평면 층 및 적어도 하나의 유전체를 구비하는 상기 제공하는 단계; 상기 복수의 층 중 제1 층의 제1 어레이에 제1 공통 배향으로 배치된 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트를 제공하는 단계; 상기 복수의 층 중 제2 층에 배치되고 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결된 제1 복수의 전기 신호 변조 장치를 제공하는 단계; 및 상기 복수의 층 중 상기 제2 층에 배치되고 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치 사이에 연결된 제1 복수의 전기 임피던스를 제공하는 단계;를 포함한다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 테스트를 위해 DUT에 근접하게 배치된 스위치 프로브 어레이를 도시한다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따른 역방향 전파 변환 기술을 통한 홀로 그래픽 이미지 재구성의 구현을 도시한다.
도 3은 예시적인 실시 예에 따른 AUT의 평면으로 다시 변환된 AUT의 근거리 필드 영역 내에서 방사된 근거리 필드를 캡처하는 것을 도시한다.
도 4는 예시적인 실시 예에 따른 차동 홀로 그래픽 역방향 전파 변환의 결과를 도시한다.
도 5는 예시적인 실시 예에 따른 다수의 AUT의 재구성 가능한 다수의 결합 테스트를 위한 스위치 프로브 어레이의 사용을 도시한다.
도 6a는 예시적인 실시 예에 따라 변조 산란 신호를 생성하기 위해 액티브 스위치 프로브 어레이에 변조 신호를 적용하는 것을 도시한다.
도 6b는 예시적인 실시 예에 따른 파라미터 성능 테스트 동안 패시브 스위치 프로브 어레이의 사용을 도시한다.
도 7a는 예시적인 실시 예에 따른 액티브 변조 산란 프로브 어레이 근거리 필드 스캐너를 사용하기 위한 테스트 환경을 도시한다.
도 7b는 예시적인 실시 예에 따른 파라미터 성능 테스트 동안 패시브 산란 프로브를 사용하는 동안의 테스트 환경을 도시한다.
도 8a 및 8b는 예시적인 실시 예에 따른 변조 산란 프로브 어레이 근거리 필드 스캐너의 변조 장치로서 다이오드의 예시적인 사용을 도시한다.
도 9는 예시적인 실시 예에 따른 변조 산란 프로브 어레이 근거리 필드 스캐너의 변조 장치에 대한 전기 구동 신호를 제공하기 위한 매트릭스 구성을 도시한다.
도 10은 예시적인 실시 예에 따른 스위칭 회로를 통해 구동되는 도 9의 매트릭스를 도시한다.
도 11은 역 프로브 방사 특성으로 인한 산란 및 재산란 변조 산란 신호의 생성을 도시한다.
도 12는 인입 변조 신호로부터 변조 산란 프로브 어레이의 프로브를 디커플링하기 위한 유도성 또는 저항성 회로 엘리먼트의 가능한 사용을 도시한다.
도 13은 예시적인 실시 예에 따른 변조 산란 프로브 어레이를 위한 다층 기판 구조를 도시한다.
도 14는 예시적인 실시 예에 따른 다층 변조 산란 프로브 어레이 내의 직교 프로브의 상대적인 수평 및 수직 위치를 도시한다.
도 15a 및 15b는 예시적인 실시 예에 따른 다층 변조 산란 프로브 어레이 내의 직교 프로브에 대한 변조 신호 경로를 도시한다.
도 16은 예시적인 실시 예에 따른 다층 변조 산란 프로브 어레이 내의 프로브의 성능을 모니터링하기 위한 테스트 회로를 도시한다.
도 17은 예시적인 실시 예에 따른 프로브의 성능을 모니터링하기 위한 테스트 회로를 갖는 변조 산란 프로브 어레이 근거리 필드 스캐너의 변조 장치를 위한 스위칭 회로를 통해 전기 구동 신호를 제공하기 위한 매트릭스를 도시한다.
다음의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 현재 청구된 발명의 예시적인 실시 예에 대한 것이다. 이러한 설명은 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위와 관련하여 제한되지 않는다. 이러한 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되고, 다른 실시 예는 본 발명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 일부 변형으로 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
본 개시 내용 전체에 걸쳐 문맥과 상반되는 명확한 표시가 없으면, 설명된 개별 회로 엘리먼트는 단수 또는 복수일 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, "circuit" 및 "circuitry"라는 용어는 단일 구성 요소 또는 복수의 구성 요소를 포함할 수 있으며, 이는 액티브 및/또는 패시브이고 서로 연결되거나 또는 함께 결합되어(예를 들어, 하나 이상의 집적 회로 칩으로서) 설명된 기능을 제공한다. 추가적으로, 용어 "신호"는 하나 이상의 전류, 하나 이상의 전압 또는 데이터 신호를 지칭할 수 있다. 도면 내에서, 유사 또는 관련 엘리먼트는 유사 또는 관련된 알파벳, 숫자 또는 문자숫자 지정자를 가질 수 있다. 또한, 본 발명이 개별 전자 회로(바람직하게는 하나 이상의 집적 회로 칩의 형태)를 사용하는 구현의 맥락에서 논의되었지만, 그러한 회로의 임의의 부분의 기능은 대안적으로 처리할 신호 주파수 또는 데이터 속도에 따라 하나 이상의 적절하게 프로그래밍된 프로세서를 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 도면이 다양한 실시 예의 기능 블록의 다이어그램을 예시하는 정도로, 기능 블록은 반드시 하드웨어 회로 간의 분할을 나타내는 것은 아니다.
아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 작은 물리적 풋프린트를 갖는 테스트 시스템은 엘리먼트별로 측정 스캔을 수행하는 것과는 대조적으로 자신의 안테나 어레이의 모든 엘리먼트가 완전 액티브 모드(예를 들어, 모든 엘리먼트 또는 엘리먼트의 원하는 서브셋이 동시에 여기되는)에서 작동하는 동안 피시험 장치(DUT)에서 고속 측정 스캔을 수행하도록 설계될 수 있다. 이러한 테스트는 평면 스캔이 일반적으로 원통형 또는 구형 스캔보다 더 적절하기 때문에 본질적으로 큰 어퍼처를 갖는 지향성 안테나로서 지상에 구축된 평면 어레이 안테나로 수행될 때 더 이점이 있을 수 있다.
또한, 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 이러한 테스트 기술은, 피시험 안테나(AUT)의 근거리 필드 영역에 있는 평면 스캔 표면에서 측정된 복소 필드의 역 전파 변환(예를 들어, 자신의 방사 에너지 성능 특성에 대한 섭동을 최소화하기 위해 AUT로부터 적어도 하나의 파장(1λ)의 거리에 위치된 테스트 안테나를 가지고)을 이용하여, DUT 안테나 어레이의 표면에서 전기장(E 필드)의 홀로 그래픽 이미지 재구성을 수행함으로써 어레이에서 결함이 있는 안테나 소자를 검출하는 데 사용될 수 있다. AUT로부터 수신된 측정된 스캔 E 필드는 기준 안테나 어레이(RA)(예를 들어, 유사한 안테나 어레이를 가진 알려진 양호한 DUT)로부터 수신된 이전에 측정된 스캔 E 필드와 비교될 수 있다. AUT와 RA의 스캔 필드 간의 차이를 사용하여 역 전파 변환을 기반으로 결함있는 안테나 엘리먼트가 AUT 내에 위치하는지 여부와 그 위치를 판정할 수 있다.
보다 구체적으로, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, DUT의 AUT로부터 수신된 에너지의 근거리 필드를 캡처하기 위해 대형 스위치 어레이가 사용될 수 있다. 이러한 어레이는 기존의 프로브 안테나와 달리 변조 산란 기술을 사용하는 소형 프로브 안테나를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 어레이는 재구성 가능한 커플러로서 사용될 수 있고, 여기서 어레이는 미리 정해진 최소 파워 레벨로 근거리 필드를 캡처하고 기준 DUT의 단일 파워 레벨과의 비교를 위해 단일 파워 값을 연산하도록 수신된 파워 레벨의 합산을 수행하는 자신의 프로브의 서브셋을 검색 및 이용한다. 이러한 방법은 원하는 테스트를 위해 DUT에 결함이 있는지 여부를 판정하는 것만으로 충분하고 결함 위치를 알 필요가 없는 소형 DUT 어레이에 적합하다.
도 1을 참조하면, 위에서 소개된 바와 같이 그리고 예시적인 실시 예에 따라, 평면 안테나 어레이(14)를 갖는 DUT(12)는 안테나 어레이(14)의 방사 및 수신 안테나 엘리먼트가 AUT 평면(14a)을 정의하는 무선 테스트 환경(예를 들어, 공지된 기술에 따라, 테스트되는 신호 주파수에 대해 지정된 무반향 챔버를 형성하는 전자기적으로 차폐된 인클로저 형성 내에서)에서 테스트된다. 변조 산란 프로브 어레이(16)(또한 평면형)는 적어도 하나의 파장의 거리(18)에서(예를 들어, 관심 신호의 공칭 반송파 주파수 측면에서) AUT(14)의 근거리 필드 영역 Z0 내에 배치된 평면을 정의한다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 변조 산란 프로브 어레이(16)의 각 프로브로부터의 복소(complex) 근거리 필드 신호(예를 들어, 어레이(16)의 직교 축 x, y를 따라 이중 편광을 갖도록 설계되어, 크기 및 위상 모두를 측정할 수 있는)가 테스트 안테나(미도시)에 의해 수신되고, 그 결과를 가지고 측정되고 역 전파 변환(20)을 수행하는 데 사용된다.
도 2를 참조하면, 예시적인 실시 예에 따르면, 역 전파 변환(20)(이의 다양한 형태가 당 업계에 공지되어 있음)은 먼저 DUT(12)의 AUT(14)로부터 거리 Z0에서 프로브 어레이(16)의 평면 표면에서 22개의 근거리 필드 에너지를 측정함으로써 측정된 복소 근거리 필드 신호에 대해 동작한다. 측정된 에너지는 그런 다음 프로브 어레이(16)의 각 프로브에서 수신된 에너지를 나타내는 평면파 스펙트럼 함수(24)를 생성하기 위해 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)(23)에 따라 처리된다. 이 스펙트럼 함수로부터 프로브 어레이(16)의 각 프로브에 대한 프로브 보상(26)을 제공하기 위해 각각의 프로브 보상 파라미터가 연산된다(25). 이러한 프로브 보상 파라미터(26)는 평면파 스펙트럼 함수(24)에 적용되어, 대응하는 보상된 평면파 스펙트럼 함수(28)를 연산하고, 그것은 그런 다음 FFT(Fast Fourier Transform)(29)에 따라 처리되어 AUT(14)로부터 방사된 근거리 필드 에너지를 판정한다(30).
도 3을 참조하면, 예시적인 가상 테스트 시나리오에서, z = 0 평면(14a)을 정의하는 16개의 안테나 엘리먼트(예를 들어, 용량성 패치 엘리먼트)의 4x4 어레이를 갖는 AUT(14)는 최대 에너지가 더 진한 적색 음영 영역에서 방출되고, 더 진한 청색 음영 영역에서 최소 에너지가 방출되고, 녹색과 노란색 음영 영역에서 중간 에너지가 방출되도록 자신의 신호 에너지를 방사할 수 있다. 유사하게, 144개의 이중 편광 엘리먼트(Z = Z0 평면(16a)을 정의)의 12x12 어레이를 갖는 프로브 어레이(16)에 의해 수신된 대응하는 신호 에너지는 위에서 논의된 바와 같이 다양한 음영 영역으로 표시된 다양한 에너지 레벨을 갖는다.
도 4를 참조하면, 예시적인 실시 예에 따른 홀로 그래픽 이미지 재구성은 AUT(14)로부터 한 파장 떨어진 스캔 표면(16a)에서 캡처된 복소 필드 차이를 변환한 후 AUT(14)(예를 들어, 4x4 안테나 어레이)의 표면에서 변환된 근거리 필드 크기를 사용할 수 있다. 예를 들어, 결함이 있는 안테나 엘리먼트(32a, 32b, 32c)를 갖는 결함이 있는 AUT(14m)를 나타내기 위해 기준 어레이(14r)와 AUT(14b) 사이의 복소 근거리 필드 차이의 변환을 생성하도록, 기준(예를 들어, 알려진 양호한) AUT의 측정 및 역변환된 에너지 레벨(14r)은 결함이 있는 AUT(상술한 바와 같은 다양한 음영 영역에 의해 표시되는 다양한 에너지 레벨을 가진)의 측정 및 역변환된 에너지 레벨(14b)과 비교될 수 있다.
즉, 잠재적인 결함을 식별하기 위해 완전 액티브 AUT를 테스트하는 것은 다음과 같이 설명될 수 있다. (이 분야의 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 어레이 안테나 엘리먼트가 결함으로 식별되더라도, 그것은 결함이 아니라 대신에 이러한 식별된 어레이 안테나 엘리먼트가 결함이 있도록 유도하는데에 책임이 있는 회로 및/또는 DUT 내의 연결이 있는 것이 (아마도 매우 조금일지라도) 여전히 가능할 수 있다. 그러나 제조 공정 초기에 그러한 회로 및/또는 연결에 대한 다른 전기 신호 테스트는 이러한 비 안테나 결함의 가능성을 최소화할 수 있다.
먼저, 완전 액티브 모드에서 동작하는 기준(예를 들어, 알려진 양호한) DUT로부터 적어도 하나의 파장의 규정된 거리 Z0에서 프로브 어레이(16)를 사용하여 복소 근거리 필드(크기 및 위상)의 측정을 수행한다. 이러한 측정은 Z = 0에 대한 기준 표면 스캔 매트릭스(14r) MREF를 형성한다. 둘째, 완전 액티브 모드에서 작동하는 DUT에 대해 동일한 거리 Z0 및 동일한 기준 AUT 위치 Z = 0에서 복소 근거리 필드의 측정을 수행하여 Z = Z0에 대해 측정된 표면 스캔(14b) MAUT를 형성한다. 셋째, 두 매트릭스 MREF(Z = Z0) - MAUT(Z = Z0) = MS(Z = Z0)의 개별 감산을 수행하고 어레이 안테나 표면 MS(Z = 0)(14d)에서 차동 매트릭스 MS를 Z = Z0으로 변환한다. 차동 매트릭스의 절대 값 |MS(Z = 0)|은 참조 어레이 결과(14r)와 AUT 결과(14b) 사이의 AUT(Z = 0) 표면에서의 E 필드 크기(14d)의 차이를 나타낸다. 이 테스트는 모든 완전 액티브 어레이 상태에 대해 실행될 수 있다. 예를 들어, 어레이 테스트 상태는 특정 빔형성 각도로 설정될 수 있다. 피시험 AUT의 엘리먼트가 기준 어레이에서와 동일한 위상 지연 또는 필드 크기를 갖지 않는 경우, Z = 0에서 차이 E 필드가 결함있는 엘리먼트의 위치에 나타난다.
도 5를 참조하면, 유사한 테스트가 다수의 어레이 또는 더 큰 어레이의 다수의 서브 세트에 대해 수행될 수 있다. 예를 들어 스캔 표면(Z = Z0)으로부터 측정된 근거리 필드 데이터를 사용하여 어레이를 테스트하기 위한 데이터 처리를 수행할 수 있다. 사용자는 각 어레이에 대한 스캔 영역을 정의할 수 있거나, 전체 스캔이 이러한 프로브를 사용하여 상당한 근거리 필드 신호 강도를 나타내는 프로브 어레이 내의 프로브를 감지하기 위해 수행되고, 그런 다음 원하는 스캔 영역을 정의하는 데 사용될 수 있다. 이것은 사용자가 큰 스위치 프로브 어레이(16)를 사용하여 더 큰 어레이 어퍼처 내에서 재구성 가능한 하위 어퍼처를 생성할 수 있게 한다. 이것은 AUT가 작고(예를 들어, 2x2 어레이) 어떤 엘리먼트가 결함이 있는지 아는 것에 큰 이점이 없을 때(또는 아마도 필요할 수 있다) 특히 유용할 수 있다. (이는 AUT로부터 방사된 신호를 캡처하기 위해 단일 안테나를 사용하는 결합 방법과 유사하게 보일 수도 있다.) 선택한 서브 어퍼처 내에서 변조 산란 스위치 프로브 어레이의 각 프로브로부터 측정된 모든 복소 근거리 필드 값을 AUT에 결함이 있는지(예를 들어, 하나 이상의 결함이 있는 엘리먼트를 포함하는지) 테스트하기 위해 기준 어레이의 값과 비교할 수 있는 단일 측정 값을 제공하기 위해 합산된다.
도 6a를 참조하면, 종래의 프로브 안테나 대신 변조 산란 프로브 어레이를 사용하면 특정 스캐닝 평면 표면에서 근거리 필드를 캡처하기 위한 스위치 어레이 설계의 복잡성을 줄일 수 있다. 당 업계에 알려진 바와 같이, 변조 산란은 변조 주파수 fM을 갖는 변조 신호(15m)에 의해 구동되는 비선형 회로 구성 요소(예를 들어, 다이오드)에 연결된 산란 물체(예를 들어, 전기 전도체)(19)를 사용하여 주파수 믹서 OTA(over the air)로 달성될 수 있다. 산란 물체(19)가 또한 송신기로부터 반송파 주파수 fC를 갖는 인입 방사 신호(15c)를 수신할 때, 주파수 믹싱이 비선형 회로 구성 요소(17) 내에서 발생하여, 반송파 주파수 fC 아래 및 위에 있는 낮은 fL 및 높은 fU 측파대(sideband) 주파수를 갖는 변조 측파대를 생성한다.
결과적인 재방출된 전자기 신호(15c, 15ms)는 함께 낮은 fC-fM 및 높은 fC + fM 측파대 주파수를 갖는 변조 측파대와 함께 반송파 주파수 fC를 포함하고, 무선 주파수(RF) 전기 신호(35)로 변환하기 위해 테스트 수신 안테나(34)에 의해 캡처될 수 있다. 낮은 fC-fM 및 높은 fC + fM 측파대 주파수의 신호 성분은 위에서 논의된 역 전파 변환의 목적을 위해 필요한 산란 물체(19)에 부딪히는 방사 신호파로부터의 필요한 모든 전자기 정보(예를 들어, 진폭 및 위상)를 포함한다. (당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 변조 신호(15m)가 비선형(예를 들어, 구형파)이면 재방사된 신호는 또한 고조파 주파수(fC-3fM, fC-2fM, fC-fM, fC+fM, fC+2fM, fC+3fM,…)를 포함할 수 있다.)
이러한 변조 산란 기술은 다수의 이점을 제공한다. 예를 들어, 소형 프로브를 사용하는 경우(예를 들어, λ/6만큼 작은) 최소 섭동으로 근거리 필드를 측정할 수 있는 반면, 프로브와 안테나 간의 강한 결합으로 인해 기존 안테나는 자신의 근거리 필드 영역 내에 배치할 때 송신 안테나(AUT) 특성에 섭동을 유발할 수 있다. 또한, 어레이에 사용되는 경우, 저주파 변조 신호(fM)를 전달하는 각 프로브의 다이오드로 가는 저항성 전선 쌍(아래에서 자세히 설명)을 설계하는 것이 고주파 결합기 및/또는 멀티플렉서를 가진 기존의 스위치 어레이 수신 안테나를 설계하는 것보다 간단하다.
또한, 이러한 변조 산란 기술은 적어도 두 가지 방식으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 모노스태틱 모드에서 단일 안테나는 신호를 전송하고 결과적인 산란 신호를 수신하는 데 모두 사용될 수 있다. 대안적으로, 바이스태틱 모드에서, 결과적인 산란 신호의 신호 송수신은 목적마다 다른 전용 안테나를 사용하여 수행될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 추가의 예시적인 실시 예에 따르면, 패시브 모드에서, 즉 변조가 적용되지 않은 산란 프로브 어레이의 사용은 시스템이 파라미터 또는 성능 테스트 OTA(over the air)에 재사용될 수 있게 한다. 보다 구체적으로, AUT로부터 몇 개의 파장으로 떨어져 위치한 수신 안테나(34)는 산란 프로브 어레이가 패시브 모드(예를 들어, 변조없이)에서 동작하는 동안 테스트 안테나로서 사용될 수 있다.
당 업계에 알려진 바와 같이, 파라미터 테스트는 안테나 방사 성능에 의존하지 않는 성능 파라미터(예를 들어, 주파수 응답 평탄도, 인접 채널 누설 비율(ACLR), 오류 벡터 크기(EVM), 수신기 감도, 블록 오류율(BLER) 등)에 초점을 맞추고 있다. 위에서 설명한 방법은 측정을 반복할 수 있는 한 이 테스트를 수행하는데에 사용될 수 있다. 전도성 환경 테스트(예를 들어, RF 케이블 연결을 통해)는 일반적으로 가장 반복 가능한 측정 결과를 제공할 수 있다. 그러나 RF 신호 포트를 사용할 수 없는 경우(예를 들어, 무선으로만 작동하도록 설계된 장치) 전도성 테스트를 사용할 수 없다. 따라서 OTA(Over-the-Air) 테스트는 측정이 반복 가능하고 신호가 그를 통해 이동되는(송신기로부터 수신기로) OTA 환경이 신호 주파수 응답에 미치는 영향을 최소화해야 한다는 추가 요구 사항과 함께 필요하다.
위에서 논의된 바와 같이 변조 산란 테스트(MST) 시스템에서, 변조되는 프로브는 근거리 필드 측정 동안 AUT의 성능에서 섭동을 최소화하기 위해 물리적으로 작다(예를 들어, 길이가 0.25λ 이하). 그러나 프로브 어레이가 변조되지 않은 경우 다이오드가 오프되고(예를 들어, 개방 회로로 유효하게 표시됨) 프로브 어레이는 공칭 반송파 주파수 fc에서 신호 재산란이 최소화되는 패시브 모드에서 효과적으로 작동한다. 따라서 프로브 어레이는 RX 안테나의 공칭 반송 주파수 fc에 대한 측정에 최소한의 영향(들)을 미친다. 더 중요한 것은, 프로브 어레이가 정적 위치와 모드를 유지하여, 파라미터 테스트 중에 측정 변동 최소화를 유도한다는 것이다.
도 7a를 참조하면, 위에서 논의된 예시적인 실시 예들에 따라, 완전한 테스트 환경은, 공지된 기술에 따라 테스트되는 신호 주파수용으로 설계된 무반향 챔버를 형성하기 위해 내부 신호 흡수 재료(미도시)를 갖는 전자기적으로 차폐된 인클로저(40)에서 둘러싸인 AUT(14), 프로브 어레이(16) 및 테스트 수신 안테나(34)를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한, 일반적으로 인클로저(40)의 외부에 RF 신호 인터페이스 회로(42), 컨트롤러(44) 및 PC 워크스테이션(50)이 포함될 수 있다. 컨트롤러(44)는 프로브에 의한 스캐닝을 제어하기 위해(하기에 더 상세히 논의됨) 프로브 어레이(16)에 하나 이상의 제어 신호(41a)를 제공할 수 있고, PC 워크스테이션에 대한 적절한 인터페이스 신호(43b)로의 변환을 위해 RF 신호(35)의 캡처를 제어하도록 RF 신호 인터페이스 회로(42)에 하나 이상의 제어 신호(43a)를 제공할 수 있다. 컨트롤러(44)는 또한 예를 들어 하나 이상의 신호(45)를 통해 제어 정보 및/또는 데이터를 제공 및/또는 수신하기 위해 PC 워크스테이션(50)과 통신할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 위에서 논의된 추가의 예시적인 실시 예에 따르면, 파라미터 테스트 동안 프로브 어레이(16)는 프로브(17)가 효과적으로 개방 회로(오프)이고 그에 기인하는 재산란이 AUT에서 오는 신호(15c)에 비해 작은 패시브 모드에서 작동한다. 따라서, 수신 안테나(34)에 도달하는 지배적인 신호 에너지는 공칭 반송파 주파수 fc에 대한 AUT 신호(15c)에 기인한다. 이 작동 모드 동안, 전체 경로 손실은 TX와 RX 신호 사이에서 측정될 수 있으며, 적절한 내부 설계로 인클로저(40)는 측정에 미치는 영향(들)을 최소화하여 테스트 결과의 우수한 반복성을 보장한다. 따라서, 수신 안테나(34)를 사용하여 AUT로부터 TX 신호를 수신하고(TX 테스트) AUT에 RX 신호를 전송(RX 테스트)할 때 파라미터 테스트가 낮은 정도의 불확실성으로 수행될 수 있다.
여기에서 논의된 동작, 모듈, 로직 및 방법 단계는 기술된 동작(들), 함수(들), 특징(들) 및 방법(들)을 수행하는 코드를 실행하는 프로세서(예를 들어, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서 등) 및 메모리를 (제한 없이)포함하는, 제어 유닛과 통신하는 하나 이상의 형태의 촉지 가능한 기계 판독 가능 매체(예를 들어, 메모리)에 저장된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 또는 소프트웨어 코드를 포함하는(제한 없이) 다양한 형태로 (예를 들어, 컨트롤러(44) 및/또는 PC 워크스테이션(50) 내에서 및/또는 그에 의해) 구현될 수 있다. 이러한 작업, 구조적 장치, 동작, 모듈, 로직 및/또는 방법 단계가 본 청구범위의 취지와 범위를 벗어나지 않고 소프트웨어, 펌웨어, 전용 디지털 로직 및/또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다는 것이 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 예시적인 실시 예에 따라, 스위치 프로브 어레이는 전기적 또는 광학적 변조의 적어도 두 가지 형태 중 하나를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 전기적 변조는 저항성 배선(47r, 47c)을 통해 관련 프로브 엘리먼트(19) 사이에 연결된 PIN 다이오드(17e)에 적용될 수 있다. 이것은 필연적으로 측정 프로브에 또는 그 근처에 어레이의 프로브 사이에 전자기 결합을 유도할 수 있는 금속 엘리먼트를 도입하지만, 적절한 설계(아래에서 자세히 설명)를 사용하면 이러한 결합을 최소화될 수 있다. 따라서 DUT 방사 특성의 최소 섭동이 도입되는 동시에, 프로브 피드 스위칭 설계를 단순화하고 저비용 구현을 가능하게 한다. 대안적으로, 광 변조는 변조 광(15mo)(예를 들어, 가시광선 또는 적외선 광) 또는 레이저(15ml) 신호를 통해 관련 프로브 엘리먼트(19) 사이에 연결된 포토 다이오드(17o)에 적용될 수 있다(예를 들어, 광섬유를 통해 전달됨). 이 기술은 이롭게는 측정 프로브에서 또는 그 근처의 금속 엘리먼트의 사용을 최소화하여, DUT 방사 특성의 잠재적인 섭동을 최소화한다. 그러나 수많은 변조 프로브의 어레이는 설계, 배치 및 수많은 광학적으로 분리된 신호의 공급이 복잡하고 비용이 많이 드는 동일하게 수많은 광섬유를 필요로한다.
저항성 배선 또는 트레이스의 경우, 각 MS(modulated-scattering) 프로브에 대해 2개의 트레이스가 필요하기 때문에 어레이에 많은 트레이스가 필요하게 된다. 예를 들어, (산란 에너지를 최대화하기 위해) 이중 편광을 가진 30x30 프로브 어레이에는 1800(30x30x2) 프로브가 필요하므로 어레이 내에서 3600(30x30x2x2) 트레이스를 라우팅해야 한다. 그리고 너무 많은 트레이스를 라우팅하는 데 필요한 상당한 공간 외에도, DUT 방사 특성의 섭동과 MS 프로브 자체의 산란 효과를 유발할 수 있는 트레이스 간의 전자기 결합을 최소화할 추가적인 필요성이 있다.
아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 예시적인 실시 예에 따르면, 이러한 원치 않는 결합 효과, 비용 및 설계 복잡성이 감소될 수 있다. 예를 들어, 저항성 피드 트레이스의 수를 줄여 피드 트레이스의 라우팅 및 스위칭에서 원하지 않는 커플링 효과와 설계 복잡성을 줄일 수 있다. 이중 편광 프로브 어레이는 수평 편광(x 차원을 따라) 및 수직 편광(y 차원을 따라) 프로브가 동일한 위치(z 차원을 따라)에 배치되도록 설계되어, 양 신호 편광이 각 프로브 위치에서 캡처되도록 할 수 있다. 측정된 값의 변환을 처리한 후 원하지 않는 거짓 효과를 방지하기 위해 어레이에서 프로브 엘리먼트 사이의 간격은 반 파장(λ/2)보다 크지 않아야 한다. 따라서, 엘리먼트 간 간격이 매우 작아져 피드 트레이스의 라우팅이 매우 어려워지게 하기 때문에, 밀리미터파 주파수에서와 같이 매우 높은 작동 주파수에서 어레이 스캐너를 작동할 때 피드 트레이스 수를 줄이는 것이 더욱 중요해진다.
도 9를 참조하면, 예시적인 실시 예에 따르면, MS 어레이는 nxn 엘리먼트 어레이의 각 편광(수평 및 수직)에 대해 프로브(17)에 대한 피드 트레이스(47r, 47c)의 매트릭스 구성으로서 구현될 수 있다. 이 구성의 동작 동안, 변조 신호(15m)가 열(column) 트레이스(Ci)(47ci)(예를 들어, 열 트레이스(47c1, 47c2,…, 47cn) 중 하나)에 적용되고, 행 트레이스(Rj)(47rj)(예를 들어, 행 트레이스(47r1, 47r2,…, 47rn) 중 하나)가 접지 연결용으로 선택되어 변조 신호가 단일 프로브(i, j)에만 적용되도록 한다. 따라서, 하나의 프로브 다이오드(17ij)만이 변조 신호(15m)에 의해 구동될 것이며, 나머지 다이오드는 일정한 상태로, 예를 들어, 풀업 레지스터(48r)를 통해 양의 DC 전압 +VDD를 캐소드에 인가하고 풀다운 레지스터(48c)를 통해 자신들의 애노드를 접지함으로써 역 바이어스되어, 유지된다. 따라서 nxn 어레이의 경우, 2xnxn 피드 또는 제어, 라인을 요구하는 대신에, 2n 라인만 필요로 한다. 이중 편광 프로브의 경우, 필요한 라인은 4n(2x2n)이 된다.
도 10을 참조하면, 예시적인 실시 예에 따르면, 피드 트레이스의 수, 복잡도 및 라우팅이 더욱 감소 및/또는 단순화될 수 있다. 예를 들어, 2개의 라우팅 회로 또는 시스템(62r, 62c)(예를 들어, 스위칭 회로 또는 멀티플렉서의 형태)이 변조 신호(M)를 선택된 열(column) 라인(Ci)(예를 들어, 열 멀티플렉서(62c)를 통해)에 연결하고 선택된 행 라인(Rj)(예를 들어, 행 멀티플렉서(62r) 및 다이오드(63)를 통해)을 접지하도록 사용될 수 있다. 멀티플렉서(62c, 62r)에 의한 개별 프로브 다이오드(17rjci)의 선택은 멀티플렉스 제어 신호(A0, A1,…, Am, B0, B1,…, Bm)의 각각의 세트에 의해 시작될 수 있다. 따라서 제어 라인의 수는 2m+1로 줄어들고, 여기서 m은 log2(n)보다 큰 가장 작은 정수인 A0, A1,…, Am, B0, B1,…, Bm 및 M이다. 예를 들어, 30x30 프로브 어레이에는 11개(2x5+1)의 제어 라인만 필요하다. 이 제안된 구성에 이중 편광를 추가하면 멀티플렉스 제어 신호(A0, A1,…, Am, B0, B1,…, Bm)가 제2 편광에 재사용될 수 있기 때문에 라인 수를 1개만 증가시킬 것이다. 그런 다음, 변조 신호(M)를 수직 프로브 편광 어레이(수직 프로브 편광 변조 신호(MV)로서) 또는 수평 프로브 편광 어레이(수평 프로브 편광 변조 신호(MH)로서)로 보내기 위해 단 하나의 추가 라인만 필요할 것이다. 따라서, 이것은 선택된 편광 어레이(수직 또는 수평)의 선택된 프로브 다이오드(17rjci)만이 변조되고 나머지 프로브 다이오드는 역 바이어스 상태로 유지되는 것을 보장할 수 있다.
도 11을 참조하면, MS 어레이(16)의 설계 및 레이아웃은 어레이(16) 내의 모든 산란 엘리먼트(19)(AUT(14)로부터 수신된 에너지를 재방사하는 프로브) 중에서 유일한 에너지 방사 액티브 엘리먼트는 변조된 선택된 다이오드(17)라는 것을 보장하는 것이 중요하다. 제어 라인(47r, 47c)과 같이 프로브 엘리먼트(17)에 연결된 다른 금속 엘리먼트, 와이어 또는 트레이스는 프로브 방사 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 다이오드(17)로부터 변조 효과를 경험할 수도 있다. 잠재적인 악영향은 변조 측파대 주파수 fc+fm, fc-fm에서 전자기 에너지(15mrs)의 제어 라인(47r, 47c)에 의한 재산란이다. 이것은 제어 라인(47r, 47c)이 지정된 프로브(19)에 위치하지 않은 근거리 필드를 캡처하고 재산란할 뿐만 아니라 수평 및 수직 프로브 사이의 편광 구별 및 인접한 프로브 사이의 커플링을 저하시킬 수 있기 때문에 측정에 오류를 유발할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제어 라인(15)의 디커플링은 디커플링될 연결 지점(19)에서 측정 주파수에서의 저항 또는 임피던스를 증가시키기 위해 레지스터 또는 인덕터(55)를 포함함으로써 수행될 수 있다. 저항 또는 임피던스를 높이면 전류 흐름이 감소한다. 유도 임피던스 응답은 주파수의 함수이며 특정 마이크로파 주파수에서 높은 임피던스 특성을 나타내고 낮은 주파수에서 낮은 임피던스를 나타내도록 설계될 수 있다. 그러나 인덕터는 마이크로파 주파수에서 구성 요소를 디커플링하는데 적합할 수 있지만 더 높은 주파수(예를 들어, 수십 GHz 이상의 밀리미터파 주파수)에서 인덕터 설계는 더 복잡해지고 그 주파수 범위에서 디커플링 목적에 유용하고 및/또는 일관된 임피던스 응답을 제공하지 않을 수 있다. 따라서, 레지스터를 그러한 더 높은 주파수에서 디커플링 구성 요소로 저항을 증가시키기 위해 사용하는 것이 종종 선호될 수 있는데, 그 이유는 그 저항이 넓은 주파수 범위에서 이상적으로는 실질적으로 일정하게 유지되기 때문이다. 어쨌든, 변조 신호 전압은 다이오드(17)가 자신의 순방향 바이어스 영역에서 동작하는 것을 보장하기에 충분히 높은 것이 중요하다.
도 13을 참조하면, 위에서 언급한 바와 같이, 안테나로부터 방사되는 에너지의 최대량을 캡처하려면 2개의 직교 선형 편광(예를 들어, 서로에 대해 "수평" 및 "수직")에서 복소 신호 측정이 필요하다. 이러한 이중 편광 프로브 어레이를 구현하기 위해, 각 프로브 엘리먼트에 2개의 선형 편광이 필요하다. 단순한 설계에는 서로 직교하는 배향의 2개의 짧은 쌍극자가 포함된다. 2개의 프로브 사이의 편광 분별이 양호하고 어레이에서 인접한 프로브 사이의 커플링이 최소화되는 한 다른 설계도 사용할 수 있다. 바람직하게는 방사 신호는 각 쌍의 직교 쌍극자에 대해 동일한 평면 위치에서 캡처되거나 적어도 상대적으로 서로 가깝게(전기적으로) 캡처되어야 한다. 여기에 묘사된 바와 같이, 지지 구조(예를 들어, 아래에서 더 자세히 논의되는 4층 인쇄 회로 기판)의 다중 층에 의해 지원되는 레이아웃을 갖는 설계는 이러한 쌍극자 위치 요구 사항을 충족하고 결과인 평면 어레이의 모든 엘리먼트의 제어 라인 라우팅을 관리하는 데 적합할 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 층은 수평 쌍극자 및 그 제어 라인을 위한 엘리먼트를 지지할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 층은 디커플링 엘리먼트(55) 및 급전 라인(74ha, 74hb)을 통해 변조 신호를 관련 변조 장치(17)에 공급하는 열(47c) 및 행(47r) 제어 라인을 지원한다. 수평 쌍극자 엘리먼트(19ha, 19hb)는 제2 층에 의해 지지되고, (AUT로부터의) 방사 에너지를 수신하고 도금된 스루홀(비아)(76a, 76b)에 의해 변조 장치(17)로 전달되는 RF 전기 신호로 그를 변환한다. 결과적인 변조 RF 신호는 비아(76a, 76b)에 의해 다시 쌍극자 엘리먼트(19ha, 19hb)로 재전달되고, 그것은 그런 다음 이를 전자기 신호로 변환하여 수평 편광을 갖는 대응하는 산란 신호로서 방사되도록 한다.
유사하게, 제3 및 제4 층은 수직 쌍극자 및 그 제어 라인을 위한 엘리먼트를 지지할 수 있다. 보다 구체적으로, 제4 층은 디커플링 엘리먼트(55) 및 급전선(74va, 74vb)을 통해 변조 신호를 연관된 변조 장치(17)에 공급하는 열(47c) 및 행(47r) 제어 라인을 지원한다. 수직 쌍극자 엘리먼트(19va, 19vb)는 제3 층에 의해 지지되고, (AUT로부터) 방사 에너지를 수신하고 도금된 스루홀(비아)(78a, 78b)에 의해 변조 장치(17)로 전달되는 RF 전기 신호로 그를 변환한다. 결과적인 변조 RF 신호는 비아(78a, 78b)에 의해 쌍극자 엘리먼트(19va, 19vb)로 다시 재전달되고, 그것은 그런 다음 이를 전자기 신호로 변환하여 수직 편광을 갖는 대응하는 산란 신호로서 방사되도록 한다.
도 14를 참조하면, 상술한 바와 같은 예시적인 실시 예에 따라, 프로브 어레이를 위한 지지 구조는 4층 인쇄 회로 기판(PCB)(70)일 수 있다. 당 업계에 알려진 기술에 따르면, 이러한 PCB(70)는 전기 절연 재료(예를 들어, 유전체)의 3개의 층(71a, 71b, 71c)에 의해 분리되고 상호 전기적으로 절연된 패턴화된 전기 전도체의 4개의 층(72a, 72b, 72c, 72d)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 중간 대향 전도 층(72b, 72c)(층 2 및 3) 사이의 중간 절연 층(71c)에 의해 채워진 갭은 전기적으로 작을 수 있다(즉, 자신의 유전 상수에 기초하여, 자신의 물리적 두께는 수신되고 산란되는 방사 에너지의 공칭 주파수의 파장의 일부에 대응한다.). 대안적으로, 2층 PCB 설계도 사용될 수 있으며, 이 경우 수평 쌍극자 엘리먼트(19ha, 19hb) 및 관련 디커플링 엘리먼트(55), 급전선(74ha, 74hb) 및 변조 장치(17)가 공유된 제1 층상에 있고, 수직 쌍극자 엘리먼트(19va, 19vb) 및 그와 관련된 디커플링 엘리먼트(55), 급전선(74va, 74vb) 및 변조 장치(17)는 공유된 제2 층상에 있다. 또한, 바람직하게는 PCB는 최소 두께가 1-1.5mm인 단단한 보드일 수 있다. 따라서 2개의 짧은 쌍극자 사이의 갭(보드 두께)이 전기적으로 작기 때문에 2층 PCB는 마이크로파 주파수에 대해 잘 작동할 수 있지만, 밀리미터파 주파수 영역 내에서는 4층 보드 설계가 더 적합할 수 있다.
도 15a 및 15b를 참조하면, 위에서 논의된 바와 같이, 액티브 프로브의 선택은 매트릭스 구성에서와 같이 행 i 및 열 j를 선택함으로써 달성된다. 어떻게 든 서로 교차해야 하는 급전 및/또는 제어 트레이스를 방지하기 위해, 트레이스 라우팅은 필요한 라우팅을 수행하기 위해 다수의(예를 들어, 2개) PCB 층을 사용한다. 신호가 입력되는 급전 및/또는 제어 트레이스는 하나의 층 상에 있고 서로 평행할 수 있는 반면, 연관된 리턴 트레이스는 다른 층 상에 있고 서로 평행할 수 있지만 급전 및/또는 제어 트레이스에 직교한다. 예를 들어, 수평 프로브에 대한 변조 신호는 층 1 상의 열 제어 라인(47c)을 통해 도입되고, 또 다른 비아(76c)를 통해 층 4 상의 행 제어 라인(47r)으로 반환될 수 있다. 유사하게, 수직 프로브에 대한 변조 신호는 층 1 상의 열 제어 라인(47c)과 또 다른 비아(78c)를 통해 도입되고, 층 4 상의 행 제어 라인(47r)을 통해 반환된다.
위에서 논의된 바와 같이, 산란 프로브 어레이를 구현하기 위해 필요한 많은 개별 구성 요소로 인해, (자신의 관련 엘리먼트와 함께) 각 프로브의 동작을 모니터링 및/또는 주기적으로 테스트할 수 있는 것이 현저하게 이점이 있을 것이다. 예시적인 실시 예에 따르면, 이것은 어레이를 제어하는 회로의 적절한 구현에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 어레이 제조 후, 각 프로브 어셈블리의 적절한 작동을 테스트할 수 있다. 결함이 발견되면, 결함 있는 프로브 어셈블리를 재작업하여 필요한 수리를 수행할 수 있다(예를 들어, 손상된 다이오드 및/또는 디커플링 장치 교체 등). 누락된 데이터 포인트를 복구하기 위해 압축 감지 알고리즘과 같은 보간 알고리즘을 사용하여 불완전한 측정 데이터 포인트 세트를 처리할 수도 있다. 누락된 데이터 포인트 또는 제대로 작동하지 않는 프로브를 파악하고, 데이터 포인트 복구 알고리즘을 사용하여 누락된 데이터 포인트를 복구하면 알 수 없는 결함으로 인해 잘못된 값이 있는 데이터 포인트를 처리하는 것보다 더 나은 측정이 가능할 것으로 기대할 수 있다.
도 16을 참조하면, 예시적인 실시 예에 따르면, 각각의 프로브 어셈블리의 동작을 테스트하기 위한 테스트 회로(80)는 도시된 바와 같이 실질적으로 상호 연결된 연산 증폭기(82), 다수의 저항(84) 및 아날로그-디지털(ADC) 회로(86)로 구현될 수 있다. 공지된 원리에 따라, 그 반전 및 비반전 입력 단자에서 전압 분배기를 형성하는 연산 증폭기(82) 및 저항(84a, 84b)은 프로브 다이오드(17) 전류(85t)가 흐르는 직렬 저항(84t)에 걸친 전압을 측정하도록 동작한다. 직렬 저항(84t)의 알려진 값에 기초하여, 측정된 전압(83) 신호는 다이오드(17) 전류를 나타내고 ADC 회로(86)에 의해 대응하는 디지털 신호(87)로 변환될 수 있다. 가장 가능성이 높은 유형의 오류는 특정 다이오드에 대한 개방 회로를 포함하고(예를 들어, 부품이 PCB에 제대로 납땜되지 않고 접촉하지 않음), 다이오드가 단락되었거나 바이어스 레지스터가 단락되는 것이다. 첫 번째 경우, 다이오드를 선택했을 때 측정된 전류(85t)는 공칭 전류보다 낮을 것이고, 두 번째 경우에는 측정된 전류(85t)가 공칭 전류보다 높을 것이다.
도 17을 참조하면, 프로브 테스트 회로(80)는 변조 신호(Vm)(15m)가 인가되는 지점(M)에서 각 분극에 대한 공급 회로의 공통 지점을 통해 연결될 수 있다. 프로브 테스트 동안, 이 전압(Vm)은 테스트되는 다이오드(17)가 순방향 바이어스 상태에 있음을 보장하기에 충분히 높은 일정한 전압으로 고정될 수 있다. 개별 프로브 다이오드(17)는 그것들이 개별적으로 선택될 때 각각의 다이오드(17)를 통해 전류(85t)를 측정함으로써 개별적이고 순차적으로 테스트될 수 있다. 각 다이오드(17)를 통과하는 전류는 피드 트레이스 및 디커플링 장치(55r1, 55r2) 및 다이오드(17)와 직렬로 레지스터(84t)를 가로지르는 전압 강하(Vt)를 측정함으로써 판정될 수 있다. 대안적으로, 다수의 프로브는 모든 프로브 또는 스캔된 프로브를 구동하기 위해 상이한 각각의 변조 주파수를 사용하는 다수의 프로브(예를 들어, 프로브의 전체 행 및 열)의 서브 세트를 스캔함으로써 동시에 테스트할 수 있다.
본 발명의 구조 및 작동 방법에 대한 다양한 다른 수정 및 대안은 본 발명의 범위 및 취지를 벗어나지 않고 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 특정 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되었지만, 청구된 본 발명은 그러한 특정 실시 예에 부당하게 한정되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다. 다음의 청구 범위는 본 발명의 범위를 정의하고 이들 청구 범위 및 그의 등가물 내의 구조 및 방법이 이에 의해 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (18)

  1. 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치에 있어서,
    복수의 층을 갖는 회로 기판 구조로서, 상기 복수의 층은 전기 전도체의 교번하는 평면 층 및 적어도 하나의 유전체를 구비하는 상기 회로 기판 구조;
    상기 복수의 층 중 제1 층의 제1 어레이에서 제1 공통 배향으로 배치된 제 1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트;
    상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결되고 상기 복수의 층 중 제2 층에 배치된 제1 복수의 전기 신호 변조 장치; 및
    상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치 사이에 연결되고 상기 복수의 층 중 상기 제2 층에 배치된 제1 복수의 전기 임피던스;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트는 복수의 마이크로스트립 트레이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치는 복수의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 임피던스는 복수의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치는 복수의 전기 전도성 비아를 가지고 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치에 연결되고 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치 각각을 통해 전도되는 복수의 각각의 전류를 측정하도록 구성된 전류 측정 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 층 중 제3 층의 제2 어레이에서 제2 공통 배향으로 배치된 제2 복수의 프로브 안테나 엘리먼트;
    상기 제2 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결되고 상기 복수의 층 중 제4 층에 배치된 제2 복수의 전기 신호 변조 장치; 및
    상기 제2 복수의 전기 신호 변조 장치 사이에 연결되고 상기 복수의 층 중 제4 층에 배치된 제2 복수의 전기 임피던스;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 공통 배향은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 어레이는 상기 제2 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 중 각각의 엘리먼트가 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 중 각각의 엘리먼트에 상호 근접한 위치에 배치되도록 상호 배치되는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 구비하는 장치.
  10. 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법에 있어서,
    복수의 층을 갖는 회로 기판 구조를 제공하는 단계로서, 상기 복수의 층은 전기 전도체의 교번하는 평면 층 및 적어도 하나의 유전체를 구비하는 상기 단계;
    상기 복수의 층 중 제1 층의 제1 어레이에서 제1 공통 배향으로 배치된 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트를 제공하는 단계;
    상기 복수의 층 중 제2 층에 배치되고 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결된 제1 복수의 전기 신호 변조 장치를 제공하는 단계; 및
    상기 복수의 층 중 상기 제2 층에 배치되고 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치 사이에 연결된 제1 복수의 전기 임피던스를 제공하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트는 복수의 마이크로스트립 트레이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치는 복수의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  13. 제10 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 임피던스는 복수의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치는 복수의 전기 전도성 비아를 가지고 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 제1 복수의 전기 신호 변조 장치 각각을 통해 전도되는 복수의 각각의 전류를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 층 중 제3 층의 제2 어레이에서 제2 공통 배향으로 배치된 제2 복수의 프로브 안테나 엘리먼트를 제공하는 단계;
    상기 복수의 층 중 제4 층에 배치되고 상기 제2 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 사이에 연결된 제2 복수의 전기 신호 변조 장치를 제공하는 단계; 및
    상기 복수의 층 중 상기 제4 층에 배치되고 상기 제2 복수의 전기 신호 변조 장치 사이에 연결된 제2 복수의 전기 임피던스를 제공하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 공통 배향은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
  18. 제16 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 어레이는 상기 제2 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 중 각각의 엘리먼트가 상기 제1 복수의 프로브 안테나 엘리먼트 중 각각의 엘리먼트에 상호 근접한 위치에 배치되도록 상호 배치되는 것을 특징으로 하는 액티브 변조 산란 프로브 어레이를 작동시키는 방법.
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