TW202133573A - 波束成形裝置測試 - Google Patents

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Abstract

提供的是N埠波束成形裝置之改善的電性測試。為了測試，N：1電性網路連接至待測裝置的N埠以提供單一測試埠。此測試模式可以用於決定待測裝置有興趣的參數(例如遠場輻射圖案…等)，而比用天線範圍測試或用待測裝置之每一埠的特徵更快速。N：1電性網路可以是被動或主動的。N：1電性網路可以整合於探頭中以提供波束成形裝置的探針陣列測試。可選擇地，N：1電性網路可以與待測裝置整合以提供在裝置上的測試能力。

Description

波束成形裝置測試
本發明關於多輸入或多輸出波束成形裝置的測試。
測試具有相位式陣列天線波束成形器的積體電路很難，因為有大量的高頻埠須測試其振幅和相對相位。最直接的解決方案(例如圖1A)是使用多埠向量網路分析器，並且測量從射頻(RF)輸入至每一波束成形輸出之傳輸參數(S21)的振幅和相位。於許多情形，此可以極為困難，因為積體電路中有頻率轉換電路，並且轉換振盪器須負責測量方法。再者，輸出的數目可以極大，這將傾向使每個輸出測試的成本極高且費時。
可選擇的習用測試做法(例如圖1B)是將波束成形器置於天線測試範圍中，並且就相關參數而言(例如波束寬度、旁瓣抑制、導向效能)直接定出其效能的特徵。更具體地說，具有天線測試範圍之波束成形器的習用測試做法是將波束成形器連接至一組輻射元件。此種元件可以是個別的偶極或是貼片天線陣列中的貼片。然後，波束成形器加上輻射元件置於天線測試範圍中以檢查輻射圖案、旁瓣…等。畢竟，吾人典型而言僅關心元件層級的規格(例如元件3的S21振幅和相位)到它影響相關參數的程度。然而，此做法也有其缺點，最顯著的是使用天線測試範圍。
於此工作，我們提供用於波束成形裝置的新測試概念。主要想法是提供直接連接至待測裝置之多個輸出(或輸入)的主動或被動式波束組合器而作為測試儀器的一部分。此提供用於測試的單一輸入/輸出，藉此同時大大減少測試所需時間和所需測試設備的複雜度。此單一輸入/輸出也可以有效提供相關裝置參數的測量，而不必使用天線測試範圍。
一些簡單的範例將有助於澄清概念。我們假設待測裝置是N輸出波束成形器，其意欲將窄波束導向於特定的角度範圍。假設波束組合器是被動且平衡的N對1組合器。然後波束組合器相對於待測裝置而在遠場中有效定位於「軸上」(on-axis)。藉由控制待測裝置而將波束導向，則波束組合器將從遠場軸上角度有效看到此導向的狀況。具有放置於天線測試範圍中的遠場軸上之偵測器的類似體則是極為靠近。
若波束組合器是主動式裝置，則可能有更複雜的運作。例如波束組合器輸入的移相可以使它相對於待測裝置而虛擬定位在可控制的離軸位置。在此，類似體的偵測器則放置於天線測試範圍中的遠場離軸。
此做法的重要優點是如上所述的波束組合器可以與用於測試電路的探針陣列整合。此能夠以基於探針的有效率做法來做波束成形電路的測試，而不必用通道RF特徵來做詳細的通道，或不必將待測裝置帶至實體天線測試範圍。此種探針陣列可以是垂直探針陣列或隔膜探針陣列。外部波束成形網路可以用纜線將波束成形網路連接至探針而添加至工程探針。可以調整纜線長度及因此調整相位以使波束導向。另一種可能則是如上所述的波束組合器與待測裝置整合。這可以用來提供用於波束成形裝置之在裝置上的診斷。
提供了顯著的優點。 (1)測試器所需的RF測試埠數目有所減少而簡化了測試。 (2)以被動式N：1波束成形網路而言，不需相位校正。 (3)主動式波束成形網路可以用於做出極多樣的測試系統。 (4)此做法比天線範圍測量快。它也比用向量網路分析器(vector network analyzer，VNA)或向量訊號分析器(vector signal analyzer，VSA)做一埠接一埠的測量快。 (5)此做法允許整合式晶片上測試。
圖1A~B顯示用於多埠裝置的二種習用測試做法。於圖1A的範例，待測波束成形裝置102連接至向量網路分析器104。此提供個別測試待測裝置之每一埠的能力；但如上所指，此費時且資訊可能多於確認適當運作所需者。於圖1B的範例，待測波束成形裝置108是由天線範圍112中的測試來源106所驅動。結果是波束圖案110，其可以使接收器114在待測裝置108的遠場裡移動以及/或者以待測波束成形裝置108來將波束導向而特徵化。可選擇和/或附帶而言，可以使用多個接收器以加速定出遠場輻射圖案的特徵。然而，天線範圍測試的成本高且費時。
圖2示意顯示本發明實施例的測試概念。在此，待測裝置204連接至另一波束成形網路206，其轉而連接至單一測試輸入/輸出(I/O)208。在此，202是對待測裝置204的測試I/O，並且210是測試控制器，其建構成控制至少待測電性裝置以提供待測電性裝置的特徵。測試控制器210也可以建構成控制設於待測裝置的波束成形網路206和/或測試輸入。未顯示測試控制器210和其他構件之間的連接以減少圖上的混雜，特別是因為這些連接中的某些者是可選用的。
如上所指，此測試架構可以有效模擬天線範圍測試，而顯著減少測試時間和成本。藉由在電性網路中組合個別的波束成形訊號，我們可以在空間中合成等效複合來源天線和接收天線。此允許我們做電性測量，其等同於空間中的天線圖案，但不輻射真實的訊號。此有效提供波束成形網路的測試，而不將它真正連接至天線陣列且在天線測試範圍中測試。基本上，我們已經生成「虛擬天線範圍」(virtual antenna range)。由於天線和範圍測量是互易的，我們可以將接收器和來源互換且獲得相同的結果。
更具體地說，本發明的範例性實施例是用於電性測試N埠待測電性裝置的設備，其中設備包括： N：1電性訊號網路(例如圖2的206)，其建構成直接連接至待測電性裝置(例如圖2的204)的N埠並且提供單一電性測試埠(例如圖2的208)；以及 測試控制器(例如圖2的210)，其建構成控制至少待測電性裝置以提供待測電性裝置的特徵。
在此，特徵化時使用單一電性測試埠作為測試輸入和/或輸出，而非個別使用N埠待測電性裝置的N埠作為測試輸入和/或輸出。
N埠待測電性裝置可以是波束成形發送器，並且N：1電性訊號網路可以建構成虛擬天線範圍，使得單一電性測試埠提供在所選的遠場方向而來自N埠待測電性裝置的輸出訊號。N：1電性訊號網路可以是主動式網路，其建構成由測試控制器所控制，如此則所選的遠場方向可以由測試控制器來變化。此類似於使圖1B的接收器114在待測裝置108的遠場裡移動來測量待測裝置108的遠場傳輸圖案。
N埠待測電性裝置可以是波束成形接收器，並且N：1電性訊號網路可以建構成虛擬天線範圍，使得單一電性測試埠提供測試訊號給在所選的遠場方向的N埠待測電性裝置。N：1電性訊號網路可以是主動式網路，其建構成由測試控制器所控制，如此則所選的遠場方向可以由測試控制器來變化。此類似於將圖1B的接收器114改變成發送器，並且使它在待測裝置108的遠場裡移動以測量待測裝置108的遠場接收圖案。
因此本發明的實施不取決於待測裝置在測試時係運作成發送器或是接收器。據此，說明書全篇將1：N和N：1電性訊號網路視為同義詞。在此重要的是N埠待測裝置是經由N：1電性訊號網路而連接至待測裝置之N埠的單一測試埠來特徵化。
N：1電性訊號網路可以是被動式網路，如圖3的範例。在此，被動分歧器300是由1：2分歧器302和傳輸線段304所形成，如所示。可以藉由改變分歧器或輸出之間的傳輸線長度而調整移相。雖然圖3的範例顯示1：8分歧器，但是此者提供1：N分歧(或組合)的一般化型態是此技術所熟知的。
N：1電性訊號網路可以是主動式網路，其建構成由測試控制器所控制。圖4A顯示範例性主動式訊號分歧器400(例如用於測試接收模式下的待測裝置)。圖4B顯示範例性主動式訊號組合器410(例如用於測試發送模式下的待測裝置)。於這些範例，傳輸線段標示為402、1：2 (或2：1)分歧器/組合器標示為404、可變移相器標示為406、可變增益標示為408。用於提供此種可變相位和增益的裝置是此技術所熟知的。改變移相允許波束做動態導向，並且改變增益可以變化旁瓣位準。這對波束成形積體電路而言是常見的結構。
已進行模擬以確認此測試概念如所述地作用。圖5A顯示用於圖5B~E之結果的模擬測試架構。模擬包括提供給發送波束成形器504的來源502。發送波束成形器504是模擬的待測裝置510。模擬(探針512)也包括接收波束成形器506 (意即如上所述之N：1電性訊號網路的模擬)和單一測試埠508。接收波束成形器506作用成接收天線，其圖案是由其移相網路所生成，以運作成有效指在發送波束成形器504的方向性接收天線。
圖5B~C比較實體模擬的波束圖案與根據本發明實施例之模擬測試所決定的波束圖案。在此，圖5C是圖5B資料的極坐標圖，實體模擬結果是以實線514來顯示，而本發明實施例的模擬結果是以虛線516來顯示。
更具體地說，實體模擬結果是基於模擬待測裝置504的參數而以電磁場模擬器來進行。實線514是模擬待測裝置504之所得的模擬遠場輻射圖案。在接收波束成形器506中使用適當移相以虛擬產生如上所述的遠場角度來模擬圖5A的架構，而獲得虛線516的結果。如從圖5B~C所可見，二模擬結果之間的一致性良好，這證明了此「虛擬天線範圍」的概念。
此概念的進一步驗證則見於圖5D~E，其比較根據本發明實施例的模擬測試所決定而來自正常和故障波束成形器的波束圖案。在此，二圖的518都是圖5A的正常運作之發送波束成形器504的模擬效能。圖5D的曲線520顯示發送波束成形器504中之第一模擬故障條件(某一波束的振幅錯誤)的結果。圖5E的曲線522顯示發送波束成形器504中之第二模擬故障條件(某一波束相位錯誤)的結果。於此二種情形，存在的故障都導致模擬結果相對於正常運作而有實質差異。這顯示如在此所述的測試可以夠敏感以偵測波束成形裝置中的真實故障。
N：1電性訊號組合器可以與用於測試電性裝置的探針陣列整合，如此則N埠待測電性裝置可以經由探查來測試。圖6A~D顯示此者的幾個範例。於垂直探頭，波束成形網路可以製作成在印刷電路板(printed circuit board，PCB)、空間轉換器或導板的多層中的被動金屬結構，或者在探頭中的不同位置中併入作為主動晶粒。於懸臂式探頭，波束成形網路可以製作成在探頭的聚醯亞胺層中的被動金屬結構，或者在探頭中的不同位置中併入作為主動晶粒。
圖6A顯示適合與探頭整合的範例性被動式訊號分歧器(或組合器)600。在此，602是單一測試輸入/輸出，並且604是用於連接至待測裝置的N埠。此範例是威金森(Wilkinson)分割樹。
圖6B示意顯示圖6A之裝置與垂直探針陣列610的整合範例。在此，606是待測裝置，608是探針陣列的底導板，而探針陣列的頂導板未顯示，因為它在此圖顯示則會令人混淆。再者，本發明的實施不取決於探頭之機械架構的細節。雖然圖6B的範例顯示垂直探針陣列，但N：1電性訊號組合器也可能與懸臂式探針陣列整合。
圖6C(俯視圖)示意顯示圖6A之N：1裝置與懸臂式探針陣列的整合範例。在此，620是用於探頭的基板，622是懸臂式探針，624是待測裝置606的其他輸入/輸出(例如視測試所需的功率和控制連接…等)。圖6D的範例類似於圖6C的範例，例外之處在於使用主動式N：1裝置616，而非被動式N：1裝置600。連接626是主動式N：1裝置616的功率/接地/控制連接。在此，也僅有單一測試輸入/輸出602，如之前的範例。
N：1電性訊號組合器可以與N埠待測電性裝置整合。依據本發明原理，此可以提供在裝置上的測試能力。
舉例而言，「虛擬測試範圍」(virtual test range)電路也可以製作在與主要功能晶粒相同的晶粒上。此提供內建的測試存取。開關可以用於啟動「虛擬測試範圍」電路，或者它們可以耦合於RF埠以供持續監視。此方法也可以藉由使用降頻或直接取樣接收器作為測試波束成形網路而實施於數位領域。每一波束成形通道移相器和增益控制可以實施成數位濾波器(有限脈衝響應[FIR]、無限脈衝響應[IIR]或他者)，並且增益控制是單純的倍增。於所有情形，接收和發送方向都可以互換，因此藉由產生適合的發送波束形狀並且檢查波束成形接收器有無適當的空間鑑別，使得相同的方法可以用於評估接收器的效能。
圖7A~C顯示此想法的幾個範例。於所有範例，702是待測裝置。圖7A的範例顯示使用被動式N：1電性訊號網路704。用於波束成形的測試埠可以是在晶粒、層合物或PCB上。耦合取樣則允許在正常運作期間做測試。
圖7B的範例顯示使用主動式N：1電性訊號網路706。用於波束成形的測試埠可以是在晶粒、層合物或PCB上。耦合取樣則允許在正常運作期間做測試。測試埠可以做單獨的波束導向，並且可以在正常運作期間測試主波束功率以及旁瓣拒斥。
圖7C的範例顯示使用主動式N：1電性訊號網路708，其中數位地實施主動式N：1電性訊號網路。
一般而言，前面任一實施例可以實施於類比電路、數位電路或混合式類比數位系統。再者，數位訊號處理(例如濾波)可以用硬體和/或軟體的任何組合來做。
簡言之，前面的範例已將波束成形裝置顯示成1D陣列。也有可能應用本發明的原理特徵化具有2D元件陣列之波束成形裝置。圖8A的波束成形裝置802是1D陣列的範例，而圖8B的波束成形裝置804是2D陣列的範例。對於具有Nx 乘以Ny 個埠之2D陣列的2D波束成形裝置，單純讓N=Nx Ny 則可應用前面的敘述。自然而言，必須做出在2D而非1D之對應於遠場角度的移相，但怎麼做是此技術所熟知的。
102:待測波束成形裝置 104:向量網路分析器 106:測試來源 108:待測波束成形裝置 110:波束圖案 112:天線範圍 114:接收器 202:測試輸入/輸出 204:待測裝置 206:波束成形網路 208:測試輸入/輸出 210:測試控制器 300:被動分歧器 302:1：2分歧器 304:傳輸線段 400:主動式訊號分歧器 402:傳輸線段 404:1：2(或2：1)分歧器/組合器 406:可變移相器 408:可變增益 410:主動式訊號組合器 502:來源 504:發送波束成形器 506:接收波束成形器 508:測試埠 510:待測裝置 512:探針 514:實體模擬結果 516:本發明實施例的模擬結果 518:正常運作之發送波束成形器的模擬效能 520:第一模擬故障條件的結果 522:第二模擬故障條件的結果 600:被動式訊號分歧器(或組合器) 602:測試輸入/輸出 604:N埠 606:待測裝置 608:底導板 610:垂直探針陣列 616:主動式N：1裝置 620:基板 622:懸臂式探針 624:輸入/輸出 626:連接 702:待測裝置 704:被動式N：1電性訊號網路 706:主動式N：1電性訊號網路 708:主動式N：1電性訊號網路 802:波束成形裝置 804:波束成形裝置
[圖1A~B]顯示用於多埠裝置的二種習用測試做法。
[圖2]示意顯示本發明實施例的測試概念。
[圖3]顯示範例性被動式訊號分歧器。
[圖4A]顯示範例性主動式訊號分歧器。
[圖4B]顯示範例性主動式訊號組合器。
[圖5A]顯示用於圖5B~E之結果的模擬測試架構。
[圖5B~C]比較實體模擬波束圖案與根據本發明實施例之模擬測試所決定的波束圖案。
[圖5D~E]比較根據本發明實施例之模擬測試所決定而來自正常與故障波束成形器的波束圖案。
[圖6A]顯示適合與探頭整合的範例性被動式訊號分歧器(或組合器)。
[圖6B]示意顯示圖6A之裝置與垂直探針陣列的整合範例。
[圖6C]示意顯示圖6A之裝置與懸臂式探針陣列的整合範例。
[圖6D]示意顯示主動式訊號分歧器(或組合器)與懸臂式探針陣列的整合範例。
[圖7A~C]顯示根據本發明原理之測試電路與待測裝置的整合範例。
[圖8A]顯示一維(1D)陣列的範例。[圖8B]顯示二維(2D)陣列的範例。
202:測試輸入/輸出
204:待測裝置
206:波束成形網路
208:測試輸入/輸出
210:測試控制器

Claims (9)

  1. 一種用於電性測試N埠待測電性裝置的設備，該設備包括： N：1電性訊號網路，其建構成直接連接至該待測電性裝置的該N埠並且提供單一電性測試埠； 測試控制器，其建構成控制至少該待測電性裝置以提供該待測電性裝置的特徵； 其中該特徵使用該單一電性測試埠作為測試輸入和/或輸出，而非個別使用該N埠待測電性裝置的該N埠作為測試輸入和/或輸出。
  2. 如請求項1的設備，其中該N埠待測電性裝置是波束成形發送器，並且其中該N：1電性訊號網路建構成虛擬天線範圍，使得該單一電性測試埠提供在所選的遠場方向而來自該N埠待測電性裝置的輸出訊號。
  3. 如請求項2的設備，其中該N：1電性訊號網路是主動式網路，其建構成由該測試控制器所控制，藉此該所選的遠場方向可以由該測試控制器來變化。
  4. 如請求項1的設備，其中該N埠待測電性裝置是波束成形接收器，並且其中該N：1電性訊號網路建構成虛擬天線範圍，使得該單一電性測試埠提供測試訊號給在所選的遠場方向的該N埠待測電性裝置。
  5. 如請求項4的設備，其中該N：1電性訊號網路是主動式網路，其建構成由該測試控制器所控制，藉此該所選的遠場方向可以由該測試控制器來變化。
  6. 如請求項1的設備，其中該N：1電性訊號網路是被動式網路。
  7. 如請求項1的設備，其中該N：1電性訊號網路是主動式網路，其建構成由該測試控制器所控制。
  8. 如請求項1的設備，其中該N：1電性訊號網路與用於測試電性裝置的探針陣列整合，藉此該N埠待測電性裝置可以經由探查來測試。
  9. 如請求項1的設備，其中該N：1電性訊號網路與該N埠待測電性裝置整合。
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