TW202006378A - 用於空中(ota)測試以偵測極高頻(ehf)無線通訊裝置之主動陣列天線中的故障元件之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

用於偵測一極高頻(extremely high frequency, EHF)無線通訊裝置的一主動平面天線陣列中的故障元件的系統及方法。將具有雙偏振調變散射探針的一矩陣的一平面天線陣列設置在該受測天線(antenna under test, AUT)的一近場區域內。將接收自該AUT的電磁能量轉換成由一電調變信號調變並輻射為一散射信號的一複合電信號。由另一天線接收並轉換成一電信號之所得的電磁散射信號係經由一反向傳播變換使用在一全像影像重建操作中以重建從該AUT的該表面所輻射的該信號頻譜。此重建信號頻譜與從一已知良好天線陣列的該表面所輻射的一參考信號頻譜的一比較實現該AUT內之故障天線元件的偵測。

Description

用於空中(OTA)測試以偵測極高頻(EHF)無線通訊裝置之主動陣列天線中的故障元件之系統及方法
本發明係關於射頻收發器系統的空中(over-the-air, OTA)測試，且具體地關於偵測極高頻(extremely high frequency, EHF)無線通訊裝置之主動天線陣列中之故障元件的測試。
隨著行動無線通訊裝置已變得更廣泛地用於許多目的，足以容納許多不同用途（例如，視訊的串流及/或特別係視訊在雙向通訊中的更多用途）之信號頻寬的可用性已變成關鍵問題。此已導致更多地使用更高的信號頻率，諸如，極高頻(EHF)，其由國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)指定用於30至300吉赫(GHz)之電磁頻譜帶中的射頻，其中無線電波具有10-1毫米的波長，且經常稱為毫米波(millimeter wave, mmW)信號。
出於各種原因，包括由於高大氣衰減的短瞄準線信號路徑，此類裝置經常使用主動陣列天線以波束形成信號以最大化信號路徑長度（以及更佳地實現頻率重複使用）。如本技術領域中已為人所知的，此類天線結構包括多個主動天線元件（一般係配置成規則陣列），例如，分別以4×4或5×5陣列設置的16或25個天線元件（用於各別電磁信號的輻射及接收）的矩形陣列。據此，當測試此類裝置時，重點係能夠測試主動天線元件（例如，分別用於4×4或5×5陣列的所有16或25個天線元件）之各者以確保裝置遵從其設計及/或效能規格。
目前的習知測試技術包括執行來自主動天線元件之輻射能量的遠場、縮距(compact range)、及近場測量。遠場法常用於測試通常用於相距甚遠（例如，相距數個λ（其中λ係輻射信號之載波頻率的波長））的二個裝置之間的通訊之天線的效能。使用此方法，接收器或範圍。天線及受測天線(antenna under test, AUT)以至少R = 2D2 /λ的範圍距離R（其中D係二個天線的最大孔徑尺寸）彼此分開。對於具有大孔徑（例如，數個波長的大小）的天線，範圍距離R可係大的，且使用此一方法的屏蔽測試室的尺寸將係大的。因此，使用遠場測試法的測試系統由於其大小在製造環境中使用係非所欲的。
此外，雖然遠場法可實現整體天線效能的測量並擷取天線輻射圖案，但因為在測量具有少數瑕疵元件的全主動陣列（例如，在25個元件中具有三個係有瑕疵的5×5元件陣列）時不會觀察到可合理偵測的輻射差異，因而無法可靠地偵測天線陣列中的瑕疵元件。例如，使用從此一天線陣列之寬側方向上引導之輻射能量的單點測量並未揭露該經測量者與不具有瑕疵元件之天線陣列的顯著差異(＜1 dB)。此外，即使可合理地偵測及測量此一小差異，既不會知道瑕疵元件的數目也不會知道其特性，且甚至在寬側引導時在具有瑕疵元件之天線陣列的經測量效能上沒有顯著差異，效能劣化可能在其他引導角度上顯示。
縮距法（雖然在一些方面類似於遠場法）的不同處在於設備係用以在AUT的近場區域內將球面波轉換成平面波，例如，藉由使用具有針對此類目的設計之複雜形狀的反射器。然而，雖然縮距法幫助減少所需之測試包封(envelope)（以及屏蔽測試室）的大小，如同直接遠場法，此方法仍無法在操作的全主動模式中偵測及識別陣列中的故障元件。
同時，習知近場法包括近場測量，該等近場測量使用平面、圓柱、或球面掃描及僅擷取功率量值的簡單耦合技術來擷取複合信號(complex signal)。複合信號的近場擷取（大致在輻射近場區域中）有利地包括可數學地轉換出至遠場區域以獲得遠場效能特性或轉換回天線表面以幫助執行天線診斷的複數資料。同時此類系統亦具有比直接遠場及縮距系統更小的覆蓋區(footprint)，其等通常使用單一探針以使用機器手臂執行測量掃描，且因此涉及長測試時間以獲得所測試掃描表面（例如，平面、圓柱、或球面）內的所測量資料。雖然可使用電子切換式電子陣列取代機械裝置以加速測量掃描，但當需要大掃描時，必要的大切換陣列及設計可係複雜且昂貴的。
僅擷取功率量值的簡單近場耦合技術（其傾向係簡單且低成本的，且常使用在製造環境中）使用接近AUT放置以擷取輻射功率的耦合器或天線。具有自參考（或已知良好）AUT之經測量功率的比較功率測試係用以驗證AUT是否有瑕疵。為了擷取所有潛在瑕疵，耦合器的孔徑需要與AUT一樣大。對於小（例如，2×2）陣列，只要可判定作為整體的該陣列是否有瑕疵，偵測哪個元件有瑕疵並非關鍵。然而，對於具有大數目元件的AUT，因為必須測量所有元件的近場以確保瑕疵陣列元件的（多個）準確偵測，雖然複雜，但大耦合器（基本上係具有非常大孔徑的天線）的設計係需要的。此外，當在正常操作（全主動陣列）時，此類耦合方法無法識別大陣列中的個別瑕疵元件。雖然此種耦合方法可仍用以在個別逐元件基礎上測試以偵測個別的故障元件，但此變得越來越時間密集且仍然不能在正常（全主動）操作下實現陣列的測試。
所提供者係用於偵測一極高頻(EHF)無線通訊裝置的一主動平面天線陣列中的故障元件的系統及方法。將具有雙偏振調變散射探針的一矩陣的一平面天線陣列設置在該受測天線(AUT)的一近場區域內。將接收自該AUT的電磁能量轉換成由一電調變信號調變並輻射為一散射信號的一複合電信號。由另一天線接收並轉換成一電信號之所得的電磁散射信號係經由一反向傳播變換使用在一全像影像重建操作中以重建從該AUT的該表面輻射的該信號頻譜。此重建信號頻譜與從一已知良好天線陣列的該表面輻射的一參考信號頻譜的一比較實現該AUT內之故障天線元件的偵測。
根據一例示性實施例，一種主動經調變散射探針陣列包括：一電路板結構，其具有複數個層，其中該複數個層包括交替之電導體的平面層及至少一介電質；第一複數個探針天線元件，其等係以在該複數個層之一第一者中之一第一陣列中的一第一共同定向而設置；第一複數個電信號調變裝置，其等係連接在該第一複數個探針天線元件之間，且設置在該複數個層之一第二者中；及第一複數個電阻抗，其等係連接於該第一複數個電信號調變裝置之間，且設置在該複數個層之該第二者中。
根據另一例示性實施例，一種用於操作一主動經調變散射探針陣列之方法包括：提供具有複數個層之一電路板結構，其中該複數個層包括交替之電導體的平面層及至少一介電質；提供第一複數個探針天線元件，該第一複數個探針天線元件係以在該複數個層之一第一者中之一第一陣列中的一第一共同定向而設置；提供第一複數個電信號調變裝置，該第一複數個電信號調變裝置係設置在該複數個層之一第二者中，且連接於該第一複數個探針天線元件之間；及提供第一複數個電阻抗，該第一複數個電阻抗係設置在該複數個層之該第二者中，且連接於該第一複數個電信號調變裝置之間。
下列詳細說明係參照附圖之所主張本發明之例示性實施例。此等說明意欲為說明性的而非限制本發明之範疇。該等實施例係以足夠細節予以說明使得所屬技術領域中具通常知識者得以實施本發明，且應理解，在不脫離本發明之精神或範疇的情況下，可以某些改變來實施其他實施例。
在本揭示各處，如無相反於本文的明確表示，可理解所描述之個別電路元件在數目上可為單一個或是複數個。例如，用語「電路(circuit)」及「電路(circuitry)」可包括單一個或複數個組件，可為主動及/或被動，且經連接或以其他方式耦接在一起（例如，作為一或多個積體電路晶片）以提供所述的功能。另外，用語「信號(signal)」可指一或多個電流、一或多個電壓或資料信號。在圖式中，類似或相關元件將有類似或相關字母、數字、或字母數字標誌符號。此外，儘管本發明是在使用離散電子電路（較佳的是以一或多個積體電路晶片的形式）進行實施的情境中進行討論，但取決於待處理的信號頻率或資料率，仍可替代地使用一或多個經適當程式化的處理器來實施此類電路的任何部分之功能。此外，倘若圖式繪示各種實施例之功能方塊圖，該等功能方塊不一定表示硬體電路之間的區分。
如下文所更詳細地討論者，可將具有小的實體覆蓋區的測試系統設計成在受測裝置(device under test, DUT)上執行高速測量掃描，在該期間其天線陣列的所有元件以全主動模式（例如，其中所有元件或其所欲元件子集同時被激發）操作，與在逐元件基礎上執行測量掃描相反。由於平面掃描大致上比圓柱或球形掃描更合適，當使用在地面上方實質建立成具有大孔徑的定向天線(directional antenna)的平面陣列天線執行時，此類測試可係較有利的。
亦如下文所更詳細地討論者，此類測試技術可用以藉由在受測天線(AUT)之近場區域中的平面掃描表面上使用經測量複合場的反向傳播轉換而在DUT天線陣列的表面執行電場（E場）的全像影像重建以偵測陣列中的瑕疵天線元件，例如，使用自AUT至少一個波長(1λ)之距離定位的測試天線陣列，以將其輻射能量效能特性上的擾動最小化。接收自AUT的所測量掃描E場可與接收自參考天線陣列(reference antenna array, RA)（例如，具有相似天線陣列之已知良好的DUT）的先前經測量掃描E場比較。AUT與RA的掃描場之間的差異可用以基於反向傳播轉換判定瑕疵天線元件是否位於AUT內及在AUT內的何處。
更具體地說，如下文所更詳細地討論的，大型切換式陣列可用以擷取從DUT之AUT接收之能量的近場。此一陣列可包括使用經調變散射技術的小型探針天線，與習知探針天線相反。此外，此一陣列亦可使用為可重新組態耦合器，其中該陣列搜尋及使用以預定最小功率位準擷取近場之其探針的子集，並執行所接收功率位準的總和以計算用於與參考DUT之該者比較的單一功率值。此一方法可對小的DUT陣列良好地運作，其中對於所欲測試的目的，簡單地判定DUT是否有瑕疵就足夠且知道瑕疵的位置係不必要的。
參考圖1，如上文所介紹者並根據例示性實施例，具有平面天線陣列14的DUT 12係在無線測試環境（例如，在電磁屏蔽外殼內，其根據已知技術形成針對正受測試之信號頻率設計的無回波室(anechoic chamber)）中測試，其中天線陣列14的輻射及接收天線元件界定AUT平面14a。經調變散射探針陣列16（亦係平面的）界定以至少一個波長（例如，依據關注信號的標稱載波頻率）的距離18設置在AUT 14之近場區域Z0 內的平面。如下文所更詳細地討論者，來自經調變散射探針陣列16（例如，經設計以具有沿著陣列16之正交軸x、y的雙偏振，從而實現量值及相位二者的測量）之各探針的複合近場信號係由測試天線（未圖示）接收並測量，然後將結果用以執行反向傳播轉換20。
參考圖2，根據例示性實施例，反向傳播轉換20（其之各種形式在本技術領域中已為人所知）首先藉由在自DUT 12之AUT 14之距離Z0 處在探針陣列16的平面表面測量22近場能量而在經測量複合近場信號上操作。然後根據逆快速傅立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)23處理所測量能量，以產生表示在探針陣列16之各探針的經接收能量的平面波譜函數24。從此譜函數計算各別探針補償參數25，以提供用於探針陣列16之各探針的探針補償26。將此等探針補償參數26施加至平面波譜函數24以計算對應的經補償平面波譜函數28，然後其係根據快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)29處理以判定從AUT 14輻射的近場能量30。
參考圖3，在一例示性假想測試場景中，具有界定z=0平面14a的16個天線元件（例如，電容式塊狀元件）之4×4陣列的AUT 14可輻射其信號能量，使得最大能量將從更暗紅色的陰影區域發射、從更暗藍色的陰影區域發射的最小能量、及從綠色及黃色的陰影區域發射的中間能量。類似地，如上文所討論者，由具有144個雙偏振元件之12×12陣列（界定Z=Z0 平面16a）的探針陣列16接收的對應信號能量具有藉由各種陰影區域指示的各種能量位準。
參考圖4，根據例示性實施例的全像影像重建可在轉換在自AUT 14一個波長的掃描表面16a擷取的複合場差之後，在AUT 14（例如，4×4天線陣列）的表面使用經轉換近場量值。例如，參考（例如，已知良好）AUT的經測量並經反向轉換的能量位準14r可與故障AUT的經測量並經反向轉換的能量位準14b（如上文所討論的，具有藉由各種陰影區域指示的各種能量位準）比較，以產生參考陣列14r與AUT 14b之間的複合近場差的轉換以指示具有故障天線元件32a、32b、32c的故障AUT 14m。
換言之，測試全主動AUT以識別潛在瑕疵可描述如下。（如將由所屬技術領域中具有通常知識者所輕易理解的，即使將陣列天線元件識別為有瑕疵的，（儘管或許僅有些微）仍可能其係無瑕疵的但替代地DUT內負責驅動此類經識別陣列天線元件的電路或連接係有瑕疵的。然而，在製造程序中較早的此類電路及/或連接的其他電信號測試可將此類非天線瑕疵的可能性最小化。）
首先，在與以全主動模式操作之參考（例如，已知良好的）DUT相距至少一個波長的規定距離Z0 處使用探針陣列16執行複合近場的測量（量值及相位）。此類測量將形成Z=0的參考表面掃描矩陣14r MREF。第二，以相同的距離Z0 及相同的參考AUT位置Z=0對以全主動模式操作的DUT執行複合近場的測量，以形成Z=Z0 的經測量表面掃描14b MAUT。第三，執行二個矩陣的個別減法MREF (Z=Z0 ) - MAUT (Z=Z0 ) = MS (Z=Z0 )，並在陣列天線表面MS(Z=0)將差異矩陣MS轉換降至Z=Z0 14d。差異矩陣的絕對值|MS (Z=0)|顯示AUT (Z=0)之表面的E場量值中的差14d在參考陣列結果14r與AUT結果14b之間。此測試可對任何全主動陣列狀態執行。例如，可將陣列測試狀態設定在特定的波束成形角度。若受測AUT的元件不具有與參考陣列相同的相位延遲或場量值，在Z=0之差異E場將在瑕疵元件的位置出現。
參考圖5，可對多個陣列或較大陣列的多個子集進行相似測試。例如，來自掃描表面(Z=Z0 )的經測量近場資料可用以執行資料處理以測試陣列。使用者可界定各陣列的掃描區域，或可使用此類探針執行完整掃描以偵測探針陣列內之展示顯著近場信號強度的探針，然後用以界定所欲掃描區域。此可使使用者能夠使用大型切換式探針陣列16在更大的陣列孔徑內建立可重新組態的子孔徑。此在AUT係小的（例如，2×2陣列）時可係特別有用的，且知道哪個元件可能有瑕疵並無顯著好處（或甚至或許需要）。（亦可將此視為類似於使用單一天線以自AUT擷取輻射信號的耦合方法。）可將來自經調變散射切換式探針陣列在經選擇子孔徑內之各探針的所有經測量複合近場值加總以給出單一經測量值，該單一經測量值可與參考陣列的該者比較以測試AUT是否有瑕疵（例如，含有至少一個故障元件）。
參考圖6A，使用經調變散射探針陣列取代習知探針天線實現用於在指定掃描平面表面擷取近場之切換式陣列設計的複雜度減少。如本技術領域中已知者，經調變散射可以其使用連接至由具有調變頻率fM 之調變信號15m驅動的非線性電路組件（例如，二極體）17的散射物體（例如，電導體）19的空中混頻器達成。當散射物體19亦接收來自發射器之具有載波頻率fC 的傳入輻射信號15c時，頻率混合在非線性電路組件17內發生，從而產生具有分別低於及高於載波頻率fC 之下旁波帶fL 及上旁波帶fU 的調變旁波帶。
所得之重發射電磁信號15c、15ms一起包括載波頻率fC 連同具有下旁波帶頻率fC -fM 及上旁波帶頻率fC +fM 的調變旁波帶，並可由測試接收天線34擷取以用於轉換至射頻(RF)電信號35。在下旁波帶頻率fC -fM 及上旁波帶頻率fC +fM 的信號分量含有來自撞擊散射物體19之輻射信號波的所有必要電磁資訊（例如，量值及相位），其係用於上文討論之反向傳播轉換之目的之所需。（如所屬技術領域中具有通常知識者將輕易地理解的，若調變信號15m係非線性（例如，方波），則重新輻射信號亦將包括諧波頻率…、fC -3fM 、fC -2fM 、fC -fM 、fC +fM 、fC +2fM 、fC +3fM 、…。）
此一經調變散射技術提供多個優點。例如，當使用小探針（例如，如λ/6般小）時，近場可以最小擾動測量，然而習知天線可當經設置在其近場內時由於探針與天線之間的強耦合而將擾動引入傳輸天線(AUT)特性。再者，當使用在陣列中時，往運載較低頻率之經調變信號(fM )的各探針的二極體的電阻式導線對的設計（於下文更詳細地討論）比設計具有高頻組合器及/或多工器之習知切換式陣列接收天線更簡單。
進一步地，此一經調變散射技術可以至少兩種方式使用。例如，在單態(monostatic)模式中，單一天線可用於傳輸信號及接收所得經散射信號二者。替代地，在雙態(bistatic)模式中，信號傳輸及所得經散射信號的接收可使用用於各目的之不同專用天線執行。
參考圖6B，根據進一步例示性實施例，以被動模式（亦即，不施加調變）使用散射探針陣列使系統能夠重複使用於空中參數（或效能）測試。更具體地說，在散射探針陣列以被動模式操作（例如，不具有調變）時，可將定位在與AUT相距數個波長處的接收天線34使用為測試天線。
如本技術領域中已知者，參數測試聚焦在不取決於天線輻射效能的效能參數（例如，頻率回應平坦度、相鄰通道洩漏率(adjacent channel leakage ratio, ACLR)、誤差向量幅度(error vector magnitude, EVM)、接收器靈敏度、塊錯誤率(block error rate, BLER)等）。只要量測係可重複的，如上文討論之方法可用以執行此測試。導電環境（例如，經由RF纜線連接）中的測試大致提供最可重複的測量結果。然而，當RF信號埠不可用時（例如，設計成僅無線地操作的裝置）時，無法使用導電測試。因此，空中(OTA)測試必需具有測量係可重複的及信號通過其（從發射器至接收器）行進的OTA環境在信號頻率回應上具有（多個）最小效應的額外要求。
如上文所討論者，在經調變散射測試(modulated-scattering test, MST)系統中，被調變的探針在實體上係小的（例如，在長度上不大於0.25λ），以在近場測量期間將AUT之效能中的擾動最小化。然而，當探針陣列未經調節時，二極體係關斷（例如，有效地顯示為開路），且探針陣列有效地以在其中將在標稱載波頻率fc之信號重新散射最小化的被動模式操作。因此，探針陣列在關於標稱載波頻率fc該RX天線的測量上具有（多個）最小效應。更重要地，探針陣列保持在靜態位置及模式中，從而在參數測試期間引入最小的測量變化。
參考圖7A，根據如上文討論的例示性實施例，完整測試環境可包括而不限於封閉在根據已知技術具有內部信號吸收材料（未圖示）以形成針對受測信號頻率設計之無回波室的電磁屏蔽外殼40內的AUT 14、探針陣列16、及測試接收天線34。一般在外殼40外亦可包括的係RF信號介面電路42、控制器44、及PC工作站50。控制器44可將用於控制藉由探針之掃描（於下文更詳細地討論）的一或多個控制信號41a提供至探針陣列16，及將用於控制RF信號35之擷取的一或多個控制信號43a提供至RF信號介面電路42，該RF信號用於轉換成用於PC工作站的合適介面信號43b。控制器44亦可經由一或多個信號45與PC工作站50通訊，例如，以提供及/或接收控制資訊及/或資料。
參考圖7B，根據如上文討論的進一步例示性實施例，在參數測試期間，探針陣列16以在其中探針17係有效開路（關斷）且歸因於彼等的重新散射相較於來自AUT之信號15c小的被動模式操作。據此，到達接收天線34的主導信號能量歸因於關於標稱載波頻率fc的AUT信號15c。在此操作模式期間，總體路徑損失可在TX與RX信號之間測量，且外殼40使用其內部的適當設計將在測量上具有（多個）最小效應，從而確保測試結果的良好可重複性。據此，當使用接收天線34自AUT接收TX信號（TX測試）以及將RX信號傳輸至AUT（RX測試）時，參數測試可以低程度的不確定性執行。
本文討論的動作、模組、邏輯、及方法步驟可以各種形式（例如，在控制器44及/或PC工作站50內及/或藉由該控制器及/或該PC工作站）實作，包括而不限於以與控制單元（包括而不限於處理器（例如，微處理器、數位信號處理器、及類似者））及記憶體（其執行碼以執行所描述的（多個）行為、（多個）功能、（多個）特徵、及（多個）方法）通訊之一或多種形式的有形的機器可讀媒體（例如，記憶體）儲存的一或多個電腦程式或軟體碼。所屬技術領域中具有通常知識者將輕易地理解此等操作、結構裝置、動作、模組、邏輯、及/或方法步驟可以軟體、韌體、特殊用途數位邏輯、及/或其任何組合實作而不偏離申請專利範圍的精神及範圍。
參考圖8A及圖8B，根據例示性實施例，切換式探針陣列可使用至少二種形式的調變：電調變或光學調變的一者實作。例如，電調變可經由電阻導線47r、47c施加至連接在關聯探針元件19之間的PIN二極體17e。雖然此必然將金屬元件引入至測量探針處或附近，其可將電磁耦合引入陣列的探針之間，使用適當設計（於下文更詳細地討論），可將此類耦合最小化。據此，將引入DUT輻射特性的最小擾動，同時亦簡化探針饋送切換設計並實現低成本實施方案。替代地，光學調變可經由經調變光學信號15mo（例如，可見光或紅外光）或雷射信號15ml施加（例如，經由光纖輸送）至連接在關聯探針元件19之間的光二極體17o。此技術有利地將金屬元件在測量探針處或附近的使用最小化，從而最小化DUT輻射特性的潛在擾動。然而，許多經調變探針的陣列將同等地需要許多光纖，用於光纖的許多光學隔離信號的設計及布置及饋送可係複雜且昂貴的。
使用電阻導線或跡線，各經調變散射(modulated-scattering, MS)探針需要二條跡線導致陣列中需要許多跡線。例如，具有雙偏振（以最大化經散射能量）的30×30探針陣列將需要1800 (30×30×2)個探針，從而需要在陣列中路由3600 (30×30×2×2)條跡線。並且，除了路由許多跡線所需的顯著空間外，進一步需要將跡線之間的電磁耦合最小化，該電磁耦合可造成DUT輻射特性的擾動以及MS探針本身的散射效應。
如下文所更詳細地討論者，根據例示性實施例，可減少此類非所要耦合效應、成本、及設計複雜度。例如，可減少電阻饋送跡線的數目，以減少饋送跡線之路由及切換的非所要耦合效應及設計複雜度。可將雙偏振探針陣列設計成使得水平偏振（沿著x維度）及垂直偏振（沿著y維度）的探針放置在相同位置（沿著z維度），使得二者信號偏振係在各探針位置擷取。陣列中之探針元件之間的間隔不應大於一半的波長(λ/2)，以避免處理經測量值之轉換後的非所要虛構效應。因此，隨著元件間間距變得非常小而使饋送跡線的路由變得非常有挑戰性，對於以極高操作頻率（諸如，以毫米波頻率）操作陣列掃描器，減少饋送跡線的數目變得甚至更重要。
參考圖9，根據例示性實施例，可將MS陣列實作為至用於n×n元件陣列之各偏振（水平及垂直）的探針17之饋送跡線47r、47c的矩陣組態。在此組態的操作期間，將調變信號15m施加至行跡線Ci 47ci（例如，行跡線47c1、47c2、…、47cn的一者），且列跡線Rj 47rj（例如，列跡線47r1、47r2、…、47rn的一者）係選擇用於連接至接地，使得調變信號將僅施加至單一探針(i, j)。因此，僅有一個探針二極體17ij將由調變信號15m所驅動，同時將其餘二極體維持在恆定狀態，例如，藉由經由上拉電阻器48r將正DC電壓+VDD施加至其等的陰極及經由下拉電阻器48c將其等的陽極接地而反向偏壓。據此，對於n×n陣列，取代2×n×n條饋送線或控制線，僅需要2n條線。對於雙偏振探針，所需線變成4n (2×2n)。
參考圖10，根據例示性實施例，饋送跡線的數目、複雜度、及路由可進一步減少及/或簡化。例如，可使用二個路由電路或系統62r、62c（例如，以切換電路或多工器的形式）以將調變信號M連接至所選取的行線Ci（例如，經由行多工器62c）並將所選取的列線Rj接地（例如，經由列多工器62r及二極體63）。藉由多工器62c、62r選擇個別探針二極體17rjci可藉由各別組的多工控制信號A0、A1、…、Am、B0、B1、…、Bm起始。據此，控制線的數目變成減少至2m+1，其中m係大於log2(n)的最小整數：A0、A1、…、Am、B0、B1、…、Bm、及M。例如，30×30探針陣列將僅需要11 (2×5+1)條控制線。將雙偏振加至此提出組態將僅將線的數目增加一，此係因為多工控制信號A0、A1、…、Am、B0、B1、…、Bm可係重複使用於第二偏振。然後，將僅需要一條額外線用於將調變信號M引導至垂直探針偏振陣列（作為垂直探針偏振調變信號MV）或水平探針偏振陣列（作為水平探針偏振調變信號MH）。因此，此可確保僅調變所選擇偏振陣列（垂直或水平）的所選擇探針二極體17rjci，同時將其餘探針二極體保持在反向偏壓狀態中。
參考圖11，重點係MS陣列16的設計及佈局確保在陣列16內的所有散射元件19之間（重新輻射從AUT 14接收之能量的探針），輻射能量的僅一主動元件係被調變的所選取二極體17。連接至探針元件17的任何其他金屬元件、導線、或跡線（諸如，控制線47r、47c）不僅將影響探針輻射特性，亦可經歷來自二極體17的調變效應。潛在不利效應係藉由在調節旁波帶頻率fc+fm、fc-fm的電磁能量15mrs的控制線47r、47c重新散射。因為控制線47r、47c可能不僅擷取及重新散射不位於指定探針19的近場，且亦使水平探針與垂直探針之間的偏振區分以及相鄰探針之間的耦合劣化，所以此可將誤差引入測量。
參考圖12，解耦控制線15可藉由包括電阻器或電感器55以在待解耦的連接點19在測量頻率增加電阻或阻抗而完成。增加電阻或阻抗減少電流流動。電感阻抗回應係頻率之函數，且可係設計成在特定微波頻率展現高阻抗特性及在低頻率展現低阻抗。然而，雖然電感器適於在微波頻率解耦元件，但在較高頻率（例如，數十GHz及更高的毫米波頻率）的電感器設計變得更複雜，且可能無法對在該頻率範圍中的解耦目的給出可用及/或一致的阻抗回應。據此，將電阻器使用為在此類較高頻率的解耦元件以增加電阻可經常係較佳的，此係因為其等的電阻在寬頻率範圍上理想地保持實質恆定。在任何事件中，重點係調變信號電壓充分高至足以確保二極體17在其順向偏壓區域中操作。
參考圖13，如上文提及者，擷取從天線輻射之能量的最大量需要在二個正交線性偏振（例如，相對於彼此「水平」及「垂直」）的複合信號測量。為了實作此一雙偏振探針陣列，各探針元件將需要二個線性偏振。一種簡單設計包括彼此正交定向的二個短偶極。只要二個探針之間的偏振區分係良好的且陣列中的相鄰探針之間的耦合係最小的，亦可使用其他設計。較佳地，輻射信號應在各對正交偶極的相同平面位置處（或至少彼此相對（電氣）接近地）擷取。如本文所描繪者，具有由多層的支援結構（例如，四層印刷電路板，於下文更詳細地討論）所支援之佈局的設計可滿足此一偶極位置需求，並適合管理所得之平面陣列的所有元件的控制線路由。
例如，第一層及第二層可支援水平偶極的元件及其控制線。更具體地說，第一層支援經由解耦元件55及饋送線74ha、74hb將調變信號饋送至關聯調變裝置17的行控制線47c及列控制線47r。水平偶極元件19ha、19hb係由第二層所支援，並接收輻射能量（來自AUT）且轉換成藉由電鍍通孔（導通孔）76a、76b輸送至調變裝置17的RF電信號。所得的經調變RF信號藉由導通孔76a、76b重新輸送回偶極元件19ha、19hb，該等偶極元件繼而將其轉換成待輻射為具有水平偏振之對應經散射信號的電磁信號。
類似地，第三層及第四層可支援垂直偶極的元件及其控制線。更具體地說，第四層支援經由解耦元件55及饋送線74va、74vb將調變信號饋送至關聯調變裝置17的行控制線47c及列控制線47r。垂直偶極元件19va、19vb係由第三層所支援，並接收輻射能量（來自AUT）且轉換成藉由電鍍通孔（導通孔）78a、78b輸送至調變裝置17的RF電信號。所得的經調變RF信號藉由導通孔78a、78b重新輸送回偶極元件19va、19vb，該等偶極元件繼而將其轉換成待輻射為具有垂直偏振之對應經散射信號的電磁信號。
參考圖14，根據如上文提及的例示性實施例，探針陣列的支援結構可係四層印刷電路板(printed circuit board, PCB) 70。根據本技術領域中已知的技術，此一PCB 70可包括圖案化電導體的四個層72a、72b、72c、72d，該等層由電絕緣材料（例如，介電質）的三個層71a、71b、71c分開及相互電隔離。較佳地，由中間相對導電層72b、72c（層2與層3）之間的中間絕緣層71c填充的間隙在電氣上可係小的（亦即，基於其介電常數，其實體厚度對應於待接收及散射之經輻射能量的標稱頻率之波長的部分）。替代地，亦可使用二層PCB設計，在該情形中，水平偶極元件19ha、19hb及其等的關聯解耦元件55、饋送線74ha、74hb、及調變裝置17係在共享的第一層上，且垂直偶極元件19va、19vb及其等的關聯解耦元件55、饋送線74va、74vb、及調變裝置17係在共享的第二層上。此外，較佳地，PCB可係具有1至1.5 mm之最小厚度的剛性板。據此，雖然在毫米波頻率區域內，四層板設計可係更適合的，但當二個短偶極之間的間隙（板厚度）在電氣上係小的時，二層PCB可對微波頻率良好地執行。
參考圖15A及圖15B，如上文所討論者，當在矩陣組態中時，主動探針的選擇係藉由選擇列i及行j而達成。為了避免饋送及/或控制跡線需要以某種方式彼此交叉，跡線路由使用多個（例如，二個）PCB層以完成必要的路由。信號於該處進入的饋送及/或控制跡線可在一個層上彼此平行，而關聯之返回跡線可在另一層上並彼此平行，但正交於饋送及/或控制跡線。例如，用於水平探針的調變信號可經由層1上的行控制線47c引入，並通過另一導通孔76c返回至層4上的列控制線47r。類似地，用於垂直探針的調變信號可經由層1上的行控制線47c並通過另一導通孔78c引入，並經由層4上的列控制線47r返回。
使用實作經散射探針陣列所需的許多個別組件，如上文討論者，將顯著有利地能夠監測及/或週期性地測試各探針（連同其關聯元件）的操作。根據例示性實施例，此可藉由控制陣列之電路的適當實施方案達成。例如，在陣列的製造之後，可測試各探針總成的適當操作。若遭遇瑕疵，瑕疵探針總成可經重工以進行任何必要的修復（例如，替換受損的二極體及/或解耦裝置等）。一組不完整的經測量資料點亦可使用內插演算法（諸如，壓縮感測演算法）處理，以恢復遺失的資料點。可預期已知哪些資料點遺失，或哪些探針未正常運作，並使用資料點恢復演算法以恢復遺失資料點以實現比處理因為未知瑕疵而具有不正確值的資料點更好的測量。
參考圖16，根據例示性實施例，用於測試各探針總成之操作的測試電路80可使用實質如所示地互連的運算放大器82、多個電阻84、及類比轉數位(analog-to-digital, ADC)電路86實作。根據已知原理，運算放大器82及在其反相及非反相輸入終端形成分壓器的電阻84a、84b操作以測量跨探針二極體17電流85t通過其流動之串聯電阻84t的電壓。基於串聯電阻84t的已知值，經測量電壓83信號代表二極體17電流，並可藉由ADC電路86轉換成對應數位信號87。最可能的誤差類型包括特定二極體的開路（例如，組件未適當地焊接至PCB且未接觸）、二極體短路、或偏壓電阻器短路。在第一例項中，當選擇二極體時，經測量電流85t將低於標稱電流，且在第二例項中，經測量電流85t將高於標稱電流。
參考圖17，探針測試電路80可經由用於各偏振之饋送電路的共同點在施加調變信號Vm 15m的點M處連接。在探針測試期間，可將此電壓Vm 固定在充分高以確保正受測試的二極體17係在順向偏壓狀態中的恆定電壓。當個別地選擇探針二極體17時，個別的探針二極體可藉由測量通過各二極體17的電流85t而個別地且依序地測試。通過各二極體17的電流可藉由測量跨與饋送跡線及解耦裝置55r1、55r2及二極體17串聯之電阻器84t的電壓降Vt 而判定。替代地，多個探針可藉由使用不同的各別調變頻率驅動所掃描探針而掃描多個探針的所有探針或子集（例如，探針的全部列或行）而同時測試。
本發明的結構和操作方法之各種其他修改及替代例在不背離本發明的精神與範圍的情況下，對所屬技術領域中具有通常知識者而言是顯而易見的。儘管已藉由特定較佳實施例說明本發明，應理解所主張之本發明不應過度地受限於此等特定實施例。吾人意欲以下列申請專利範圍界定本發明的範疇且意欲藉以涵蓋此等申請專利範圍之範疇內之結構與方法以及其均等者。
10‧‧‧側視圖和立體圖之對映 12‧‧‧DUT 14‧‧‧天線陣列/AUT 14a‧‧‧AUT平面/AUT/平面 14b‧‧‧能量位準/AUT/表面掃描/AUT結果 14d‧‧‧差異矩陣/差 14m‧‧‧故障AUT 14r‧‧‧能量位準/陣列/參考陣列結果 15‧‧‧控制線 15c‧‧‧傳入輻射信號/重發射電磁信號/信號 15m‧‧‧調變信號 15ml‧‧‧雷射信號 15mo‧‧‧經調變光學信號 15mrs‧‧‧電磁能量 15ms‧‧‧重發射電磁信號 16‧‧‧經調變散射探針陣列/探針陣列/陣列/MS陣列 16a‧‧‧平面/掃描表面 17‧‧‧非線性電路組件/探針/二極體/探針元件/調變裝置 17e‧‧‧PIN二極體 17ij‧‧‧二極體 17o‧‧‧光二極體 17rjci‧‧‧二極體 18‧‧‧距離 19‧‧‧散射物體/探針元件/散射元件/探針/連接點 19ha‧‧‧水平偶極元件/偶極元件 19hb‧‧‧水平偶極元件/偶極元件 19va‧‧‧垂直偶極元件/偶極元件 19vb‧‧‧垂直偶極元件/偶極元件 20‧‧‧反向傳播變換 22‧‧‧測量 23‧‧‧逆快速傅立葉變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT) 24‧‧‧平面波譜函數 25‧‧‧計算 26‧‧‧探針補償/探針補償參數 28‧‧‧經補償平面波譜函數 29‧‧‧快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform, FFT) 30‧‧‧近場能量 32a‧‧‧故障天線元件 32b‧‧‧故障天線元件 32c‧‧‧故障天線元件 34‧‧‧接收天線 35‧‧‧射頻(radio frequency, RF)電信號 40‧‧‧電磁屏蔽外殼/外殼 41a‧‧‧控制信號 42‧‧‧RF信號介面電路 43a‧‧‧控制信號 43b‧‧‧介面信號 44‧‧‧控制器 45‧‧‧信號 47c‧‧‧電阻導線/饋送跡線/控制線/行控制線 47c1‧‧‧行跡線 47c2‧‧‧行跡線 47cn‧‧‧行跡線 47ci‧‧‧行跡線 47r‧‧‧電阻導線/饋送跡線/控制線 47r1‧‧‧列跡線 47r2‧‧‧列跡線 47rn‧‧‧列跡線 47rj‧‧‧列跡線 48c‧‧‧下拉電阻器 48r‧‧‧上拉電阻器 50‧‧‧PC工作站 55‧‧‧電阻器或電感器/解耦元件 55r1‧‧‧解耦裝置 55r2‧‧‧解耦裝置 62c‧‧‧路由電路或系統/多工器 62r‧‧‧路由電路或系統/多工器 63‧‧‧二極體 70‧‧‧印刷電路板(printed circuit board, PCB) 71a‧‧‧層 71b‧‧‧層 71c‧‧‧層 72a‧‧‧層 72b‧‧‧層 72c‧‧‧層 72d‧‧‧層 74ha‧‧‧饋送線 74hb‧‧‧饋送線 74va‧‧‧饋送線 74vb‧‧‧饋送線 76a‧‧‧電鍍通孔/導通孔 76b‧‧‧電鍍通孔/導通孔 76c‧‧‧導通孔 78a‧‧‧電鍍通孔/導通孔 78b‧‧‧電鍍通孔/導通孔 78c‧‧‧導通孔 80‧‧‧測試電路 82‧‧‧運算放大器 83‧‧‧經測量電壓 84‧‧‧電阻 84a‧‧‧電阻 84b‧‧‧電阻 84t‧‧‧串聯電阻/電阻器 85t‧‧‧電流 86‧‧‧類比轉數位(analog-to-digital, ADC)電路 87‧‧‧數位信號 A0‧‧‧多工控制信號 A1‧‧‧多工控制信號 Am‧‧‧多工控制信號 B0‧‧‧多工控制信號 B1‧‧‧多工控制信號 Bm‧‧‧多工控制信號 Ci‧‧‧行跡線 fC‧‧‧載波頻率 fL‧‧‧下旁波帶 fM‧‧‧調變頻率 fU‧‧‧上旁波帶 M‧‧‧點 MH‧‧‧水平探針偏振調變信號 MV‧‧‧垂直探針偏振調變信號 Rj‧‧‧列跡線 +VDD‧‧‧正DC電壓 Vm‧‧‧調變信號/電壓 Vt‧‧‧電壓降 Z0‧‧‧近場區域/距離
圖1描繪根據例示性實施例設置成鄰近用於測試之DUT的切換式探針陣列。 圖2描繪根據例示性實施例經由反向傳播轉換技術的全像影像重建的實施方案。 圖3描繪根據例示性實施例在轉換回AUT的平面之AUT的近場區域內擷取輻射近場。 圖4描繪根據例示性實施例之差異全像反向傳播轉換的結果。 圖5描繪根據例示性實施例之用於多個AUT的可重新組態多耦合測試的切換式探針陣列的使用。 圖6A描繪根據例示性實施例將調變信號施加至主動切換式探針陣列以產生經調變散射信號。 圖6B描繪根據例示性實施例之被動切換式探針陣列在參數效能測試期間的使用。 圖7A描繪根據例示性實施例之用於使用主動經調變散射探針陣列近場掃描器的測試環境。 圖7B描繪根據例示性實施例在參數效能測試期間使用被動散射探針時的測試環境。 圖8A及圖8B描繪根據例示性實施例之作為經調變散射探針陣列近場掃描器之調變裝置的二極體的例示性使用。 圖9描繪根據例示性實施例之用於提供用於經調變散射探針陣列近場掃描器之調變裝置的電驅動信號的矩陣組態。 圖10描繪根據例示性實施例經由切換電路驅動之圖9的矩陣。 圖11描繪由於不良探針輻射特性而產生經散射及經重新散射的經調變散射信號。 圖12描繪用於將經調變散射探針陣列的探針與傳入調變信號解耦之電感式或電阻式電路元件的可能使用。 圖13描繪根據例示性實施例之用於經調變散射探針陣列的多層基材結構。 圖14描繪根據例示性實施例之正交探針在多層經調變散射探針陣列內的相對水平及垂直定位。 圖15A及圖15B描繪根據例示性實施例之用於多層經調變散射探針陣列內的正交探針的經調變信號路徑。 圖16描繪根據例示性實施例之用於監測多層經調變散射探針陣列內的探針之效能的測試電路。 圖17描繪根據例示性實施例之經由切換電路提供電驅動信號的矩陣，其用於具有用於監測探針之效能的測試電路之經調變散射探針陣列近場掃描器的調變裝置。
10‧‧‧側視圖和立體圖之對映
12‧‧‧DUT
14‧‧‧天線陣列/AUT
14a‧‧‧AUT平面/平面
16‧‧‧經調變散射探針陣列/探針陣列/陣列/MS陣列
18‧‧‧距離
20‧‧‧反向傳播轉換
Z0‧‧‧近場區域/距離

Claims (18)

  1. 一種包括一主動經調變散射探針陣列的設備，其包含： 一電路板結構，其具有複數個層，其中該複數個層包括交替之電導體的平面層及至少一介電質； 第一複數個探針天線元件，其等係以在該複數個層之一第一者中之一第一陣列中的一第一共同定向而設置； 第一複數個電信號調變裝置，其等係連接在該第一複數個探針天線元件之間，且設置在該複數個層之一第二者中；及 第一複數個電阻抗，其等係連接於該第一複數個電信號調變裝置之間，且設置在該複數個層之該第二者中。
  2. 如請求項1之設備，其中該第一複數個探針天線元件包含複數個微帶跡線。
  3. 如請求項1之設備，其中該第一複數個電信號調變裝置包含複數個二極體。
  4. 如請求項1之設備，其中該第一複數個電阻抗包含複數個電阻。
  5. 如請求項1之設備，其中該第一複數個電信號調變裝置係以複數個導電導通孔連接在該第一複數個探針天線元件之間。
  6. 如請求項1之設備，其進一步包含電流測量電路，該電流測量電路係連接至該第一複數個電信號調變裝置，且經組態以測量傳導通過該第一複數個電信號調變裝置之各者的複數個各別電流。
  7. 如請求項1之設備，其進一步包含： 第二複數個探針天線元件，其等係以在該複數個層之一第三者中之一第二陣列中的一第二共同定向而設置； 第二複數個電信號調變裝置，其等係連接在該第二複數個探針天線元件之間，且設置在該複數個層之一第四者中；及 第二複數個電阻抗，其等係連接於該第二複數個電信號調變裝置之間，且設置在該複數個層之該第四者中。
  8. 如請求項7之設備，其中該第一共同定向及該第二共同定向係相互正交的。
  9. 如請求項7之設備，其中該第一陣列及該第二陣列係相互設置，使得該第二複數個探針天線元件之各別者係設置在相互鄰近於該第一複數個探針天線元件之各別者的位置中。
  10. 一種用於操作一主動經調變散射探針陣列的方法，其包含： 提供具有複數個層之一電路板結構，其中該複數個層包括交替之電導體的平面層及至少一介電質； 提供第一複數個探針天線元件，該第一複數個探針天線元件係以在該複數個層之一第一者中之一第一陣列中的一第一共同定向而設置； 提供第一複數個電信號調變裝置，該第一複數個電信號調變裝置係設置在該複數個層之一第二者中，且連接於該第一複數個探針天線元件之間；及 提供第一複數個電阻抗，該第一複數個電阻抗係設置在該複數個層之該第二者中，且連接於該第一複數個電信號調變裝置之間。
  11. 如請求項10之方法，其中該第一複數個探針天線元件包含複數個微帶跡線。
  12. 如請求項10之方法，其中該第一複數個電信號調變裝置包含複數個二極體。
  13. 如請求項10之方法，其中該第一複數個電阻抗包含複數個電阻。
  14. 如請求項10之方法，其中該第一複數個電信號調變裝置係以複數個導電導通孔連接在該第一複數個探針天線元件之間。
  15. 如請求項10之方法，其進一步包含測量傳導通過該第一複數個電信號調變裝置之各者的複數個各別電流。
  16. 如請求項10之方法，其進一步包含： 提供第二複數個探針天線元件，該第二複數個探針天線元件係以在該複數個層之一第三者中之一第二陣列中的一第二共同定向而設置； 提供第二複數個電信號調變裝置，該第二複數個電信號調變裝置係設置在該複數個層之一第四者中，且連接於該第二複數個探針天線元件之間；及 提供第二複數個電阻抗，該第二複數個電阻抗係設置在該複數個層之該第四者中，且連接於該第二複數個電信號調變裝置之間。
  17. 如請求項16之方法，其中該第一共同定向及該第二共同定向係相互正交的。
  18. 如請求項16之方法，其中該第一陣列及該第二陣列係相互設置，使得該第二複數個探針天線元件之各別者係設置在相互鄰近於該第一複數個探針天線元件之各別者的位置中。
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