用于检测极高频（EHF）无线通信设备的有源阵列天线中故障元件的空中（OTA）测试的系统和方法与流程

用于检测极高频(ehf)无线通信设备的有源阵列天线中故障元件的空中(ota)测试的系统和方法
[0001]
相关专利申请的交叉引用
[0002]
本公开要求于2018年7月16日提交的名称为“system and method for over-the-air(ota)testing to detect faulty elements in an active array antenna of an extremely high frequency(ehf)wireless communication device”的美国非临时申请第16/036522号的优先权。本专利申请的全部内容出于所有目的全文以引用方式并入本文。


背景技术：

[0003]
本发明涉及射频收发器系统的空中(ota)测试，并且具体地涉及检测极高频(ehf)无线通信设备的有源天线阵列中故障元件的测试。
[0004]
由于移动无线通信设备已变得更广泛地用于许多目的，因此用于适应许多不同用途(例如，具体地，视频流传输和/或双向通信中视频的更多用途)的足够信号带宽的有效性已成为关键问题。这已导致更多地使用更高的信号频率诸如极高频(ehf)，这是国际电信联盟(itu)对30-300千兆赫(ghz)电磁频谱频带中的射频的指定，其中无线电波的波长为10-1毫米并且通常称为毫米波(mmw)信号。
[0005]
出于各种原因，包括由于大气衰减引起的短视线信号路径，此类设备通常使用有源阵列天线来对信号进行波束成形以使信号路径长度最大化(以及更好地实现频率复用)。如本领域中已知的，此类天线结构包括通常布置成规则阵列的多个有源天线元件，例如分别设置成4
×
4或5
×
5阵列的16或25个天线元件的矩形阵列(用于辐射和接收相应电磁信号)。因此，当测试此类设备时，重要的是能够测试有源天线元件中的每个元件(例如，分别对应于4
×
4或5
×
5阵列的所有16或25个天线元件)以确保设备符合其设计和/或性能规范。
[0006]
当前常规测试技术包括对来自有源天线元件的辐射能量执行远场、紧凑范围和近场测量。远场方法通常用于测试天线性能，该天线通常用于远距(例如，若干λ)的两个设备之间的通信(其中λ是辐射信号的载波频率的波长)。利用该方法，接收器或范围天线和待测天线(aut)彼此间隔开至少r＝2d2/λ的范围距离r(其中d为两个天线的最大孔径尺寸)。对于具有大孔径(例如，若干波长的尺寸)的天线，范围距离r可为大的，并且使用此类方法的屏蔽测试室的尺寸将为大的。因此，使用远场测试方法的测试系统由于其尺寸而不适用于制造环境。
[0007]
此外，虽然远场方法可能够测量总体天线性能并捕获天线辐射图案，但它不能可靠地检测天线阵列中的缺陷元件，因为当测量具有少数缺陷元件的完全有源阵列(例如，25个元件中的三个元件有缺陷的5
×
5元件阵列)时，将不会观察到合理可检测的辐射差异。例如，使用从此类天线阵列在宽侧方向上转向的辐射能量的单点测量不显示与从没有缺陷元件的天线阵列测量的辐射能量的显著差异(<1db)。此外，即使此类小的差异可被合理地检测和测量，但缺陷元件的数量和标识都不是已知的，并且即使在宽侧转向时具有缺陷元件的天线阵列的所测量的性能没有显著差异，也可在其他转向角度处出现性能劣化。
[0008]
尽管紧凑范围方法在一些方面类似于远场方法，但其不同之处在于，使用装置将
aut的近场区域内的球面波转换成平面波，例如，通过使用具有针对此类目的而设计的复杂形状的反射器。然而，类似于直接远场方法，虽然紧凑范围方法有助于减小所需测试包络(以及屏蔽测试室)的尺寸，但该方法仍然无法以完全有源的操作模式检测和识别阵列中的故障元件。
[0009]
同时，常规近场方法包括使用平面、圆柱形或球形扫描捕获复杂信号的近场测量，以及仅捕获功率幅值的简单耦合技术。通常在辐射近场区域中的复杂信号的近场捕获有利地包括可以数学地转换到远场区域以获得远场性能特性或转换回天线表面以帮助执行天线诊断的复杂数据。虽然此类系统还具有比直接远场和紧凑范围系统更小的占有面积，但它们通常使用单个探针来使用机械臂执行测量扫描，并且因此涉及长测试时间以获得所测试的扫描表面(例如，平面、圆柱形或球形)内的测量数据。虽然可使用电子开关电子阵列代替机械设备来加速测量扫描，但当需要大型扫描时，必要的大开关阵列和设计可能是复杂且昂贵的。
[0010]
仅捕获功率大小的简单近场耦合技术(其往往是简单且低成本的并且常用于制造环境中)使用放置在aut附近的耦合器或天线来捕获辐射功率。使用具有来自参考或已知良好aut的测量功率的比较功率测试来验证aut是否有缺陷。为了捕获所有潜在的缺陷，耦合器的孔径需要与aut一样大。对于小(例如，2
×
2)阵列，关键不在检测哪个元件有缺陷，而是确定阵列整体是否有缺陷即可。然而，对于具有大量元件的aut，需要设计大耦合器，实质上是具有非常大孔径的天线，尽管这很复杂，因为必须测量所有元件的近场以确保准确检测到有缺陷的阵列元件。此外，此类耦合方法不能在正常操作(完全有源阵列)下识别大阵列中的单个缺陷元件。虽然此类耦合方法仍可用于逐个元件地测试以检测单个故障元件，但这变得越来越耗时并且仍然不能够在正常(完全有源)操作下测试阵列。


技术实现要素：

[0011]
本发明提供了用于检测极高频(ehf)无线通信设备的有源平面天线阵列中故障元件的系统和方法。具有双偏振调制散射探针矩阵的平面天线阵列设置在待测天线(aut)的近场区域内。从该aut接收的电磁能量被转换成复杂电信号，该复杂电信号由电调制信号调制并且被辐射为散射信号。由另一个天线接收并转换成电信号的所得电磁散射信号用于经由反向传播变换以重建从aut的表面辐射的信号频谱的全息图像重建操作中。该重建信号频谱与从已知良好的天线阵列的表面辐射的参考信号频谱的比较使得能够检测出aut内的故障天线元件。
[0012]
根据示例性实施方案，有源调制散射探针阵列包括：具有多个层的电路板结构，其中该多个层包括电导体和至少一种电介质的交替的平面层；第一多个探针天线元件，该第一多个探针天线元件以第一共同取向按第一阵列设置在该多个层中的第一层中；第一多个电信号调制设备，该第一多个电信号调制设备连接在该第一多个探针天线元件之间并设置在该多个层中的第二层中；以及第一多个电阻抗，该第一多个电阻抗连接在该第一多个电信号调制设备之间并设置在该多个层中的第二层中。
[0013]
根据另一个示例性实施方案，用于操作有源调制散射探针阵列的方法包括：提供具有多个层的电路板结构，其中该多个层包括电导体和至少一种电介质的交替的平面层；提供第一多个探针天线元件，该第一多个探针天线元件以第一共同取向按第一阵列设置在
该多个层中的第一层中；提供第一多个电信号调制设备，该第一多个电信号调制设备设置在该多个层中的第二层中并连接在该第一多个探针天线元件之间；以及提供第一多个电阻抗，该第一多个电阻抗设置在该多个层中的该第二层中并连接在该第一多个电信号调制设备之间。
附图说明
[0014]
图1描绘了根据示例性实施方案的设置在dut附近用于测试的开关探针阵列。
[0015]
图2描绘了根据示例性实施方案的经由反向传播变换技术的全息图像重建的具体实施。
[0016]
图3描绘了根据示例性实施方案的在变换回aut平面的aut的近场区域内捕获辐射近场。
[0017]
图4描绘了根据示例性实施方案的差分全息反向传播变换的结果。
[0018]
图5描绘了根据示例性实施方案的开关探针阵列用于多个aut的可重新配置的多重耦合测试的用法。
[0019]
图6a描绘了根据示例性实施方案的将调制信号应用于有源开关探针阵列以产生调制散射信号。
[0020]
图6b描绘了根据示例性实施方案的在参数性能测试期间对无源开关探针阵列的用法。
[0021]
图7a描绘了根据示例性实施方案的用于使用有源调制散射探针阵列近场扫描仪的测试环境。
[0022]
图7b描绘了根据示例性实施方案的在参数性能测试期间使用无源散射探针时的测试环境。
[0023]
图8a和图8b描绘了根据示例性实施方案的二极管作为调制散射探针阵列近场扫描仪的调制设备的示例性用法。
[0024]
图9描绘了根据示例性实施方案的用于为调制散射探针阵列近场扫描仪的调制设备提供电驱动信号的矩阵构型。
[0025]
图10描绘了根据示例性实施方案的经由开关电路驱动的图9的矩阵。
[0026]
图11描绘了由于不利的探针辐射特性而产生的散射和重新散射调制散射信号。
[0027]
图12描绘了用于将调制散射探针阵列的探针与传入调制信号解耦的电感或电阻电路元件的潜在用法。
[0028]
图13描绘了根据示例性实施方案的用于调制散射探针阵列的多层基底结构。
[0029]
图14描绘了根据示例性实施方案的多层调制散射探针阵列内的正交探针的相对水平和竖直定位。
[0030]
图15a和图15b描绘了根据示例性实施方案的多层调制散射探针阵列内的正交探针的调制信号路径。
[0031]
图16描绘了根据示例性实施方案的用于监测多层调制散射探针阵列内的探针性能的测试电路。
[0032]
图17描绘了根据示例性实施方案的用于经由调制散射探针阵列近场扫描器的调制设备的开关电路提供电驱动信号的矩阵，该调制散射探针阵列近场扫描仪具有用于监测
探针性能的测试电路。
具体实施方式
[0033]
以下详细描述是结合附图的受权利要求书保护的本发明的示例性实施方案。关于本发明的范围，此类描述旨在进行示例而非加以限制。对此类实施方案加以详尽的描述，以使得本领域的普通技术人员可以实践该主题发明，并且应当理解，在不脱离本主题发明的精神或范围的前提下，可以实践具有一些变化的其他实施方案。
[0034]
在本发明全文中，在没有明确指示与语境相反的情况下，应当理解，该单独的电路元件可以是单数或复数。例如，术语“电路”以及“电路系统”可以包括单个部件或多个部件，部件为有源的和/或无源的，并且连接或换句话讲耦合到一起(例如，成为一个或多个集成电路芯片)，以提供所描述的功能。另外，术语“信号”可指一个或多个电流、一个或多个电压或数据信号。在图中，相似或相关的元件将具有相似或相关的字母、数字或数字字母混合的指示。此外，虽然在使用分立的电子电路系统(优选地为一个或多个集成电路芯片的形式)的具体实施的背景中讨论了本发明，但另选地取决于待处理的信号频率或数据速率，此类电路系统的任何部分的功能可使用一个或多个适当编程的处理器来实施。此外，就示出各种实施方案的功能区块的示意图的图示来说，该功能区块未必表示硬件电路系统之间的分区。
[0035]
如下文更详细地讨论，具有小物理占地面积的测试系统可被设计成在待测设备(dut)上执行高速测量扫描，在该高速测量扫描期间，该测试系统的天线阵列的所有元件以完全有源的模式操作(例如，同时激励所有或所需元件子集)，而不是逐个元件地执行测量扫描。当利用建立在地上的平面阵列天线作为实质上具有大孔径的定向天线来执行时，此类测试可能是更有利的，因为平面扫描通常比圆柱形或球形扫描更合适。
[0036]
同样如下文更详细地讨论，此类测试技术可用于通过使用待测天线(aut)的近场区域中平面扫描表面上的所测量的复杂场的反向传播变换，对dut天线阵列表面处的电场(e场)执行全息图像重建来检测阵列中的缺陷天线元件，例如，其中测试天线阵列位于距aut至少一个波长(1λ)的距离处，以使其辐射能量性能特性的扰动最小化。可将从aut接收的测量的扫描电场与从参考天线阵列(ra)(例如，具有类似天线阵列的已知良好dut)接收的先前测量的扫描电场进行比较。aut和ra的扫描场之间的差值可用于基于反向传播变换来确定aut内是否以及何处存在缺陷天线元件。
[0037]
更具体地，如下文更详细地讨论，大开关阵列可用于捕获从dut的aut接收的能量的近场。与常规探针天线相反，此类阵列可包括使用调制散射技术的小探针天线。此外，此类阵列还可用作可重新配置的耦合器，其中阵列搜索并使用该阵列的探针子集，该探针子集捕获具有预先确定的最小功率电平的近场并对接收到的功率电平执行求和来计算单个功率值，以用于与参考dut的功率值进行比较。此类方法可很好地用于小dut阵列，其中出于所需测试的目的，仅确定dut是否有缺陷就足够了，而不必知道缺陷位置。
[0038]
参见图1，如上文所介绍的并且根据示例性实施方案，在无线测试环境中(例如，在电磁屏蔽封装件内，根据已知的技术形成设计用于测试信号频率的消声室)测试具有平面天线阵列14的dut 12，其中天线阵列14的辐射和接收天线元件限定aut平面14a。调制散射探针阵列16(也是平面的)限定设置在aut 14的近场区域z0内至少一个波长的距离18处(例
如，就感兴趣的信号的标称载波频率而言)的平面。如下文更详细地讨论，来自调制散射探针阵列16的每个探针的复杂近场信号(例如，被设计成沿着阵列16的正交轴线x、y具有双偏振，从而实现量值和相位两者的测量)由测试天线(未示出)接收并测量，其中结果随后用于执行反向传播变换20。
[0039]
参见图2，根据示例性实施方案，反向传播变换20(其各种形式在本领域中是已知的)首先通过测量22探针阵列16的平表面处距dut12的aut 14距离z0的近场能量来对所测量的复杂近场信号进行操作。然后根据快速傅立叶逆变换(ifft)23处理所测量的能量，以产生表示在探针阵列16的每个探针处接收到的能量的平面波谱函数24。根据该光谱函数，计算25相应探针补偿参数，从而为探针阵列16的每个探针提供探针补偿26。将这些探针补偿参数26应用于平面波谱函数24以计算对应的补偿平面波谱函数28，然后根据快速傅里叶变换(fft)29处理该补偿平面波谱函数以确定从aut 14辐射的近场能量30。
[0040]
参见图3，在示例性假想测试场景中，具有限定z＝0平面14a的16个天线元件(例如，电容贴片元件)的4
×
4阵列的aut 14可辐射该aut的信号能量，使得最大能量将从暗红色阴影区域发射，最小能量将从暗蓝色阴影区域发射，并且中间能量将从绿色和黄色阴影区域发射。类似地，由具有144个双偏振元件(限定z＝z0平面16a)的12
×
12阵列的探针阵列16接收到的对应信号能量具有由如上所述的各种阴影区域指示的各种能量水平。
[0041]
参见图4，根据示例性实施方案的全息图像重建可以在将扫描表面16a处捕获的复杂场差值变换成距aut 14一个波长之后，在aut 14(例如，4
×
4天线阵列)的表面处使用变换的近场量值。例如，参考(例如，已知良好)aut的测量的和反向变换的能量水平14r可与故障aut的测量的和反向变换能量水平14b(其中各种能量水平由如上所述的各种阴影区域指示)进行比较，以产生参考阵列14r与aut 14b之间的复杂近场差值的变换，从而指示具有故障天线元件32a、32b、32c的故障aut 14m。
[0042]
换句话讲，测试完全有源的aut以识别潜在缺陷可描述如下。(如本领域的普通技术人员将容易理解的，即使阵列天线元件被识别为有缺陷，也仍然有可能(尽管可能只是轻微的)它不是有缺陷的，而是dut内负责驱动此类所识别的阵列天线元件的电路和/或连接有缺陷。然而，在制造过程中较早对此类电路和/或连接进行的其他电信号测试可使此类非天线缺陷的可能性最小化。)
[0043]
首先，使用探针阵列16在距以完全有源模式操作的参考(例如，已知良好)dut至少一个波长的规定距离z0处执行复杂近场(量值和相位)的测量。此类测量将形成用于z＝0的参考表面扫描矩阵14r mref。其次，对于以完全有源模式操作的dut，在相同距离z0和相同参考aut位置z＝0处执行复杂近场的测量，以形成z＝z0的测量表面扫描14b maut。第三，执行两个矩阵的单独减法mref(z＝z0)-maut(z＝z0)＝ms(z＝z0)，并且在阵列天线表面ms(z＝0)14d处将差分矩阵ms向下变换为z＝z0。差分矩阵的绝对值|ms(z＝0)|示出了参考阵列结果14r与aut结果14b之间在aut(z＝0)的表面处的电场量值14d的差值。该测试可针对任何完全有源阵列状态执行。例如，阵列测试状态可被设置为特定的波束成形角度。如果aut的待测元件不具有与参考阵列中相同的相位延迟或场量值，则z＝0处的电场差值将出现在缺陷元件的位置处。
[0044]
参见图5，可对多个阵列或较大阵列的多个子集进行类似的测试。例如，来自扫描表面(z＝z0)的测量的近场数据可用于执行数据处理以测试阵列。用户可限定每个阵列的
扫描区域，或者可以执行全扫描以检测展示了显著近场信号强度的探针阵列内的探针，此类探针然后用于限定所需扫描区域。这可使得用户能够使用大的开关探针阵列16在较大的阵列孔径内产生可重新配置的子孔径。当aut较小(例如，2
×
2阵列)并且不存在显著优势(甚至可能不需要)知道哪个元件可能有缺陷时，这可能是特别有用的。(这也可被视为类似于使用单个天线来捕获来自aut的辐射信号的耦合方法。)可对来自选定子孔径内的调制散射开关探针阵列的每个探针的所有测量复杂近场值求和以给出单个测量值，可将该单个测量值与参考阵列的测量值进行比较以测试aut是否有缺陷(例如，包含至少一个故障元件)。
[0045]
参见图6a，使用调制散射探针阵列代替常规探针天线能够降低用于捕获指定扫描平表面处近场的开关阵列设计的复杂性。如本领域中已知的，可利用混频器在空气上使用连接到由具有调制频率f
m
的调制信号15m驱动的非线性电路部件(例如，二极管)17的散射对象(例如，电导体)19来实现调制散射。当散射对象19还从发射器接收到具有载波频率f
c
的传入辐射信号15c时，在非线性电路部件17内发生频率混合，从而产生具有分别低于载波频率f
c
的下边带频率f
l
以及高于载波频率的上边带频率f
u
的调制边带。
[0046]
所得重新发射的电磁信号15c、15ms一起包括载波频率f
c
以及具有下边带频率f
c-f
m
和上边带频率f
c
+f
m
的调制边带，并且可由测试接收天线34捕获以用于转换成射频(rf)电信号35。在下边带频率f
c-f
m
和上边带频率f
c
+f
m
下的信号分量包含来自照射散射对象19的辐射信号波的所有必要电磁信息(例如，振幅和相位)，这些电磁信息是上述反向传播变换所需的。(如本领域技术人员将容易理解的，如果调制信号15m是非线性的(例如，方波)，则重新辐射的信号还将包括谐波频率
…
、f
c-3f
m
、f
c-2f
m
、f
c-f
m
、f
c
+f
m
、f
c
+2f
m
、f
c
+3f
m
、
…
)
[0047]
此类调制散射技术提供多个优点。例如，可在使用小探针时(例如，小至λ/6)以最小扰动测量近场，而常规天线可能当设置在其近场区域内时由于探针与天线之间的强耦合而向发射天线(aut)特性引入扰动。另外，当在阵列中使用时，去往携带较低频率调制信号(f
m
)的每个探针的二极管(下文更详细地讨论)的电阻线对的设计比设计具有高频组合器和/或多路复用器的常规开关阵列接收天线的更简单。
[0048]
此外，此类调制散射技术能够以至少两种方式使用。例如，在单稳态模式下，单个天线可用于发射信号以及接收所得散射信号两者。另选地，在双稳态模式下，可针对每个目的使用不同的专用天线来执行对所得散射信号的信号发射和接收。
[0049]
参见图6b，根据另外的示例性实施方案，以无源模式(即，未应用调制)使用散射探针阵列使得系统能够被重复用于空中参数或性能测试。更具体地，位于距aut几个波长处的接收天线34可用作测试天线，同时散射探针阵列以无源模式(例如，无调制)操作。
[0050]
如本领域已知的，参数测试集中于不依赖于天线辐射性能的性能参数(例如，频率响应平坦度、相邻信道泄漏率(aclr)、误差向量幅度(evm)、接收器灵敏度、误块率(bler)等)。只要测量是能够重复的，就可使用如上所述的方法来执行该测试。在导电环境中(例如，经由rf电缆连接)的测试通常提供最能够重复的测量结果。然而，当rf信号端口不可用时(例如，被设计为仅无线操作的设备)，不能使用传导性测试。因此，空中(ota)测试是必要的，附加的要求是测量是能够重复的，并且信号(从发射器到接收器)行进通过的ota环境对信号频率响应具有最小的影响。
[0051]
在调制散射测试(mst)系统中，如上所述，被调制的探针在物理上较小(例如，长度不超过0.25λ)，以便使近场测量期间aut性能的扰动最小化。然而，当探针阵列未被调制时，
二极管关断(例如，有效地表现为开路)并且探针阵列有效地以无源模式操作，其中标称载波频率fc下的信号重新散射被最小化。因此，探针阵列对关于rx天线的标称载波频率fc的测量具有最小影响。更重要的是，探针阵列保持在静态位置和模式，从而在参数测试期间引入最小的测量变化。
[0052]
参见图7a，根据如上所述的示例性实施方案，完整的测试环境可包括但不限于aut 14、探针阵列16和根据已知技术包封在具有内部信号吸收材料(未示出)的电磁屏蔽封装件40中的测试接收天线34，以形成设计用于测试信号频率的消声室。通常还可在封装件40外部包括rf信号接口电路42、控制器44和pc工作站50。控制器44可以向探针阵列16提供一个或多个控制信号41a以用于控制探针的扫描(下面更详细地讨论)，并且向rf信号接口电路42提供一个或多个控制信号43a以用于控制rf信号35的捕获以用于转换成pc工作站的适当接口信号43b。控制器44还可以与pc工作站50通信，例如，以经由一个或多个信号45提供和/或接收控制信息和/或数据。
[0053]
参见图7b，根据如上所述的另外的示例性实施方案，在参数测试期间，探针阵列16以无源模式操作，其中探针17有效地开路(关断)并且与来自aut的信号15c相比，可归因于探针的重新散射较小。因此，到达接收天线34的主要信号能量归因于关于标称载波频率fc的aut信号15c。在该操作模式期间，可在tx信号和rx信号之间测量总路径损耗，并且通过其内部的适当设计，封装件40将对测量具有最小影响，从而确保测试结果的良好可重复性。因此，当使用接收天线34从aut接收tx信号(tx测试)以及将rx信号发射到aut(rx测试)时，可执行具有低不确定性程度的参数测试。
[0054]
本文所讨论的动作、模块、逻辑和方法步骤能够以各种形式(例如，在控制器44和/或pc工作站50内和/或由该控制器和/或pc工作站)实现，包括但不限于存储在一种或多种形式的有形机器可读介质(例如存储器)中的与控制单元通信的一个或多个计算机程序或软件代码，该控制单元(包括但不限于处理器(例如微处理器、数字信号处理器等)和存储器)执行代码以执行所述的行为、函数、特性和方法。本领域的普通技术人员将容易理解，在不脱离权利要求的实质和范围的情况下，这些操作、结构设备、动作、模块、逻辑和/或方法步骤可在软件、固件、专用数字逻辑和/或它们的任何组合中实现。
[0055]
参见图8a和图8b，根据示例性实施方案，开关探针阵列可使用至少两种形式的调制中的一种形式来实现：电调制或光调制。例如，可以经由电阻接线47r、47c向连接在相关联探针元件19之间的pin二极管17e应用电调制。虽然这必须在测量探针处或附近引入金属元件(这可能在阵列的探针之间引入电磁耦合)，但通过适当的设计(下文更详细地讨论)此类耦合可被最小化。因此，将引入dut辐射特性的最小扰动，同时还简化了探针馈电开关设计并实现了低成本的具体实施。另选地，可经由调制光学信号15mo(例如，可见光或红外光)或激光信号15ml将光学调制(例如，经由光纤传送)应用于连接在相关联探针元件19之间的光电二极管17o。该技术有利地使测量探针处或附近的金属元件的使用最小化，从而使dut辐射特性的潜在扰动最小化。然而，多个调制探针的阵列将需要同样多的光纤，对于这些光纤，多个光学隔离信号的设计和布置以及馈送可能是复杂且昂贵的。
[0056]
对于电阻接线或迹线，每个调制散射(ms)探针需要两条迹线导致阵列中需要许多迹线。例如，具有双偏振(以使散射能量最大化)的30
×
30探针阵列将需要1800(30
×
30
×
2)个探针，从而需要在阵列内布线3600(30
×
30
×2×
2)条迹线。并且，除了布线如此多的迹线
所需的显著空间之外，还需要使迹线之间的电磁耦合最小化，该电磁耦合可导致dut辐射特性的扰动以及ms探针本身的散射效应。
[0057]
如下文更详细地讨论，根据示例性实施方案，可降低此类不期望的耦合效应、成本和设计复杂性。例如，可以减少电阻馈电迹线的数量，以减少馈电迹线的布线和开关中不期望的耦合效应和设计复杂性。双偏振探针阵列可被设计成使得水平偏振(沿着x维度)和竖直偏振(沿着y维度)探针设置在相同位置(沿着z维度)处，使得在每个探针位置处捕获两个信号偏振。阵列中探针元件之间的间距不应大于半波长(λ/2)，以避免在处理测量值的变换之后产生不期望的虚构效应。因此，由于元件间间距变得非常小，使得馈电迹线的布线变得非常有挑战性，因此减少馈电迹线的数量对于在极高操作频率(诸如在毫米波频率)下操作阵列扫描器变得更加重要。
[0058]
参见图9，根据示例性实施方案，对于n
×
n元件阵列的每次偏振(水平和竖直)，ms阵列可以实现为到探针17的馈电迹线47r、47c的矩阵构型。在对该构型的操作期间，调制信号15m被应用于列迹线ci 47ci(例如，列迹线47c1、47c2、
…
、47cn中的一者)，并且行迹线rj 47rj(例如，行迹线47r1、47r2、
…
、47rn中的一者)被选择用于连接到地，使得调制信号将仅被应用于单个探针(i,j)。因此，调制信号15m将仅驱动一个探针二极管17ij，而其余二极管保持在恒定状态，例如，通过经由上拉电阻器48r向其余二极管的阴极施加正dc电压+vdd并经由下拉电阻器48c将其余二极管的阳极接地来反向偏置。因此，对于n
×
n阵列，不需要2
×
n
×
n条馈电或对照线，而是仅需要2n条线。对于双偏振探针，所需线变为4n(2
×
2n)条。
[0059]
参见图10，根据示例性实施方案，可以进一步减少和/或简化馈电迹线的数量、复杂性和布线。例如，两个布线电路或系统62r、62c(例如，以开关电路或多路复用器的形式)可用于将调制信号m连接到所选择的列线ci(例如，经由列多路复用器62c)并将所选择的行线rj接地(例如，经由行多路复用器62r和二极管63)。多路复用器62c、62r对单个探针二极管17rjci的选择可由多路复用控制信号a0、a1、
…
、am、b0、b1、
…
、bm的相应组发起。因此，控制线的数量减少至2m+1，其中m为大于log2(n)的最小整数：a0、a1、
…
、am、b0、b1、
…
、bm和m。例如，30
×
30探针阵列将仅需要11(2
×
5+1)条控制线。由于多重控制信号a0、a1、
…
、am、b0、b1、
…
、bm可重复用于第二偏振，因此将双偏振添加到该提出的构型将仅使线数量增加一。然后，将仅需要一条附加的线来将调制信号m引导至竖直探针偏振阵列(作为竖直探针偏振调制信号mv)或水平探针偏振阵列(作为水平探针偏振调制信号mh)。因此，这可确保仅调制所选择的偏振阵列(竖直或水平)的所选择的探针二极管17rjci，而其余探针二极管保持在反向偏压状态。
[0060]
参见图11，重要的是ms阵列16的设计和布局确保在阵列16内的所有散射元件19(重新辐射从aut 14接收的能量的探针)中，唯一辐射能量的有源元件是被调制的所选择的二极管17。连接到探针元件17的任何其他金属元件、导线或迹线(诸如控制线47r、47c)将不仅影响探针辐射特性，而且可能经受来自二极管17的调制效应。潜在的不利影响是控制线47r、47c在调制边带频率fc+fm、fc-fm处重新散射电磁能量15mrs。由于控制线47r、47c不仅可以捕获和重新散射不位于指定探针19处的近场，而且还可以降低水平探针和竖直探针之间的偏振隔离以及相邻探针之间的耦合，因此这可能对测量造成误差。
[0061]
参见图12，控制线15的解耦可通过包括电阻器或电感器55来完成，以增加待解耦的连接点19处的测量频率处的电阻或阻抗。增大电阻或阻抗减小了电流。感应式阻抗响应
是频率的函数，并且可被设计成在特定微波频率下表现出高阻抗特性，并且在低频率下表现出低阻抗。然而，虽然电感器可适用于在微波频率下解耦部件，但在较高频率(例如，数十ghz和更高的毫米波频率)下的电感器设计变得更复杂，并且在该频率范围内可能不给出用于解耦目的的有用和/或恒定的阻抗响应。因此，使用电阻器来增加电阻作为此类较高频率下的解耦部件通常可为优选的，因为它们的电阻理想地在宽频率范围内保持基本上恒定。在任何情况下，重要的是调制信号电压足够高以确保二极管17在其正向偏置区域中操作。
[0062]
参见图13，如上所述，捕获从天线辐射的最大量的能量需要在两个正交线性偏振(例如，相对于彼此的“水平”和“竖直”)中进行复杂的信号测量。为了实现此类双偏振探针阵列，每个探针元件将需要两种线性偏振。简单的设计包括彼此正交取向的两个短偶极子。也可以使用其他设计，只要两个探针之间的偏振隔离良好并且阵列中相邻探针之间的耦合最小。优选地，对于每对正交偶极子，应该在相同的平面位置处捕获辐射信号，或者至少彼此相对靠近(电)。如此处所描绘，具有由支撑结构的多个层(例如，四层印刷电路板，下面更详细地讨论)支撑的布局的设计可以满足此类偶极子位置要求，并且适用于管理所得平面阵列的所有元件的控制线布线。
[0063]
例如，第一层和第二层可支撑用于水平偶极子及其控制线的元件。更具体地，第一层支持经由解耦元件55和馈电线74ha、74hb将调制信号馈送到相关联的调制设备17的列47c和行47r控制线。水平偶极子元件19ha、19hb由第二层支撑，并且接收辐射能量(来自aut)并将其转化为rf电信号，该rf电信号由电镀通孔(通孔)76a、76b传送到调制设备17。通孔76a、76b将所得调制rf信号重新传送回偶极子元件19ha、19hb，继而将其转化为电磁信号以作为具有水平偏振的对应散射信号进行辐射。
[0064]
类似地，第三层和第四层可支撑用于竖直偶极子及其控制线的元件。更具体地，第四层支持经由解耦元件55和馈电线74va、74vb将调制信号馈送到相关联的调制设备17的列47c和行47r控制线。竖直偶极子元件19va、19vb由第三层支撑，并且接收辐射能量(来自aut)并将其转化为rf电信号，该rf电信号由电镀通孔(通孔)78a、78b传送到调制设备17。通孔78a、78b将所得调制rf信号重新传送回偶极子元件19va、19vb，继而将其转化为电磁信号以作为具有竖直偏振的对应散射信号进行辐射。
[0065]
参见图14，根据如上所述的示例性实施方案，探针阵列的支撑结构可以是四层印刷电路板(pcb)70。根据本领域中已知的技术，此类pcb 70可包括由三个电绝缘材料(例如，电介质)层71a、71b、71c隔开且相互电隔离的四个图案化电导体层72a、72b、72c、72d。优选地，由中间相对导电层72b、72c(层2和层3)之间的中间绝缘层71c填充的间隙可以是电学上较小的(即，基于其介电常数，其物理厚度对应于待接收和散射的辐射能量的标称频率的波长的一部分)。另选地，也可以使用双层pcb设计，在这种情况下，水平偶极子元件19ha、19hb及其相关联的解耦元件55、馈电线74ha、74hb和调制设备17位于共用的第一层上，竖直偶极子元件19va、19vb及其相关联的解耦元件55、馈电线74va、74vb和调制设备17位于共用的第二层上。此外，优选地，pcb可以是最小厚度为1mm至1.5mm的刚性板。因此，两层pcb对于微波频率可表现良好，因为两个短偶极子之间的间隙(板厚度)在电学上较小，但在毫米波频率区域内，四层板设计可能更合适。
[0066]
参见图15a和图15b，如上所述，通过选择如矩阵构型中的行i和列j来实现对有源探针的选择。为了避免馈送和/或控制迹线需要以某种方式彼此交叉，迹线布线使用多个
(例如，两个)pcb层来完成必要的布线。其中信号进入的馈电迹线和/或控制迹线可位于一层上，彼此平行，而相关联的返回迹线可位于另一层上并且彼此平行但与馈电迹线和/或控制迹线正交。例如，水平探针的调制信号可经由层1上的列控制线47c引入，并且通过另一个通孔76c返回到层4上的行控制线47r。类似地，竖直探针的调制信号可经由层1上的列控制线47c并且通过另一个通孔78c引入，并且经由层4上的行控制线47r返回。
[0067]
由于需要如此多的单个部件来实现散射探针阵列，如上所述，能够监测和/或周期性地测试每个探针(连同其相关元件)的操作将是显著有利的。根据示例性实施方案，这可通过控制阵列的电路的适当具体实施来实现。例如，在阵列制造之后，可以测试每个探针组件的正确操作。如果遇到缺陷，则可以对缺陷探针组件进行再加工，以进行任何必要的修复(例如，更换损坏的二极管和/或解耦设备等)。还可使用内插算法(诸如压缩感测算法)处理测量的数据点的不完整集合，以恢复缺失的数据点。了解哪些数据点缺失，或哪些探针不能正常工作，并且使用数据点恢复算法恢复缺失的数据点可预期能够进行比处理由于未知缺陷而具有不正确值的数据点更好的测量。
[0068]
参见图16，根据示例性实施方案，用于测试每个探针组件的操作的测试电路80可利用基本上如图所示互连的运算放大器82、多个电阻84和模数转换(adc)电路86来实现。根据已知原理，运算放大器82和在其反相输入端子和非反相输入端子处形成分压器的电阻84a、84b操作以测量探针二极管17电流85t流过的串联电阻84t两端的电压。基于串联电阻84t的已知值，所测量的电压83信号表示二极管17电流，并且可由adc电路86转换为对应的数字信号87。最可能的错误类型包括特定二极管的开路(例如，部件未适当地焊接到pcb并且未接触)、二极管短路或偏置电阻器短路。在第一实例中，当选择了二极管时所测量的电流85t将低于标称电流，并且在第二实例中，所测量的电流85t将高于标称电流。
[0069]
参见图17，探针测试电路80可以在应用调制信号vm 15m的点m处针对每次偏振经由馈电电路的公共点连接。在探针测试期间，该电压vm可固定在足够高的恒定电压下，以确保被测试的二极管17处于正向偏置状态。可以通过测量流过单独选择的每个二极管17的电流85t来单独和顺序地测试单个探针二极管17。可通过测量与馈电迹线和解耦设备55r1、55r2以及二极管17串联的电阻器84t两端的电压降vt来确定流过每个二极管17的电流。另选地，可通过使用不同的相应调制频率扫描所有探针或多个探针的子集(例如，探针的整行或整列)来同时测试多个探针以驱动所扫描的探针。
[0070]
在不脱离本发明的范围和精神的前提下，本发明的结构和操作方法的各种其他修改和替代对本领域的技术人员将是显而易见的。虽然结合具体的优选实施方案对本发明进行了描述，但应当理解，受权利要求书保护的本发明不应不当地限于此类具体实施方案。其意图是，随附权利要求书限定本发明的范围，并且由此应当涵盖这些权利要求书以及其等同物的范围内的结构和方法。