5G時代，使用的頻率更高——毫米波頻段；帶寬更寬——數(shù)百兆；設(shè)備更加復(fù)雜——MIMO/多天線。高帶寬5G技術(shù)的快速發(fā)展為測試和測量新設(shè)備的RF性能帶來了重大挑戰(zhàn)。為了滿足市場對5G 技術(shù)的迫切需求，研究人員和工程師需要依賴于更快、更具成本效益的測試系統(tǒng)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
一波形變得更寬且更復(fù)雜
3GPP一直以來致力于制定和發(fā)布顛覆性且極具挑戰(zhàn)性的5G規(guī)范。3GPP 5G新空口規(guī)范包括兩種已獲得批準(zhǔn)的正交頻分多路復(fù)用技術(shù)(OFDM)、各種調(diào)制和代碼集、靈活的參數(shù)配置(numerology)和多個信道寬帶。除了這些參數(shù)外，5G波形還包括用于信道估計、優(yōu)化MIMO操作和振蕩器相位噪聲補償?shù)膮⒖夹盘枴?G波形引入了自包含(self-contained)集成子幀設(shè)計，同一個子幀內(nèi)包含了上行鏈路/下行鏈路的調(diào)度信息、數(shù)據(jù)傳輸和確認。
5G基站以及其他基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，簡稱gNode B (gNB)，在下行鏈路中使用循環(huán)前綴OFDM(CP-OFDM)方案，而用戶設(shè)備(UE)兩種方案都支持，即CP-OFDM和離散傅里葉變換擴頻OFDM(DFT-S-OFDM)方案，具體取決于gNB指示UE使用這兩種方案中的哪一種方案來進行上行操作。DFT-S-OFDM具有較低的峰均功率比(PAPR)，因此有助于提高功率放大器的效率和能效。此外，考慮到信號在毫米波和低于10GHz頻率下有著不同傳播和反射行為，5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在兩種不同基本頻段的操作。在許多情況下，整個RF規(guī)范的要求會因兩種不同頻率范圍而有所不同。低頻范圍內(nèi)(FR1)的信號可以使用頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩種模式，帶寬高達100MHz，載波聚合頻率高達400MHz。而FR2信號的頻率最高可達52.6GHz ，僅可在TDD模式下運行，并且單信道帶寬高達400MHz。FR2信號還可以將多個載波組合在一起，以實現(xiàn)高達800MHz的聚合帶寬。不久之后，規(guī)范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz。
解決思路：所有這些因素都給研究人員和工程師研究對應(yīng)的新波形帶來了更大難度。他們在創(chuàng)建、發(fā)布和生成符合標(biāo)準(zhǔn)上行鏈路和下行鏈路信號方面面臨著新的挑戰(zhàn)，因為這些信號相比以往具有更多配置、選項和更寬的帶寬。選擇符合5G標(biāo)準(zhǔn)的工具，生成和分析所需的波形，并在不同測試臺之間共享這些波形，以充分分析DUT的特征。
二儀器必須是寬帶且線性的，而且必須能夠經(jīng)濟高效地覆蓋廣泛的頻率范圍
為了實現(xiàn)5G增強型移動寬帶某些極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵性能指標(biāo)，即超出20Gb/s的下行峰值速率以及10,000倍以上的流量，5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩個基本頻率范圍內(nèi)不同信道帶寬下的寬帶場景。這旨在復(fù)用400MHz左右至7.125 GHz(FR1)和24 GHz至52.6 GHz (毫米波FR2)范圍內(nèi)的許多現(xiàn)有頻段及一些未獲得許可的新蜂窩頻段。
圖1 5G新空口的頻率范圍
盡管在航空航天和軍事等行業(yè)，RF工程師一直在努力開發(fā)專用的毫米波測試系統(tǒng)，這些系統(tǒng)往往造價不菲，但對于面向大眾市場的移動行業(yè)來說，目前尚未有合適的毫米波測試系統(tǒng)。由于各種新設(shè)備的不斷出現(xiàn)及未知的未來需求，開發(fā)更有效的驗證平臺對測試工程師而言是一項挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的5G設(shè)備(包括最新的毫米波組件)測試方法需要工程師使用一系列昂貴的大型臺式儀器進行手動測試。工程師很難集成、擴展或優(yōu)化其儀器來實現(xiàn)自動化設(shè)備驗證。工程師亟需經(jīng)濟高效的測試設(shè)備來針對新設(shè)備類型配置大量測試平臺，這些測試設(shè)備應(yīng)具備以下特點：高度線性化；在極大的帶寬范圍中，具有緊密的幅度和相位精度；低相位噪音；廣泛的頻率覆蓋范圍，適用于多頻段設(shè)備；能夠利用其它無線標(biāo)準(zhǔn)測試是否共存。為了適應(yīng)快速變化的測試要求，他們需要基于軟件的模塊化測試和測量平臺來覆蓋較寬的頻率范圍。
解決思路：投資到能夠評估現(xiàn)有和新頻帶性能的寬帶測試平臺。選擇不僅能夠與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)共存，還能隨著適應(yīng)未來變化的儀器。
三組件特性分析和驗證需要更大量測試
5G的初始部署可能采用非獨立組網(wǎng)模式(NSA)，在這種模式下UE仍需要依賴LTE網(wǎng)絡(luò)進行鏈路控制，并使用5G連接作為高帶寬數(shù)據(jù)傳輸通道。因此，工程師需要驗證5G新空口(NR)與帶內(nèi)和鄰帶LTE的共存性。5G系統(tǒng)將采用帶寬分塊(bandwidth parts)機制來實現(xiàn)5G和LTE信號的載波共享， 因而工程師需要使用間隔非常小的信號來驗證其設(shè)備的性能。
未來的NR規(guī)范將納入未授權(quán)頻譜的輔助授權(quán)接入(LAA)技術(shù)，作為聚合輔助信道。這意味著工程師必須測試其設(shè)備對特定未授權(quán)頻段的影響情況，以確保兩者之間的共存。
同樣地，當(dāng)UE包含符合各種標(biāo)準(zhǔn)的多個無線電收發(fā)器時，工程師必須進一步關(guān)注帶內(nèi)和帶外信號的濾波和抗擾設(shè)計，以確保設(shè)備內(nèi)不同標(biāo)準(zhǔn)的共存。某個標(biāo)準(zhǔn)的諧波、非線性頻譜增生以及各種雜散會影響5G NR設(shè)備的靈敏度。
圖2 WLAN帶外泄露導(dǎo)致的5G NR減敏現(xiàn)象
工程師在開發(fā)發(fā)射/接收系統(tǒng)時必須考慮的另一項重要因素是TX和RX路徑之間的互易性。例如，當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)射功率放大器(PA)完全進入壓縮區(qū)時，該PA引入的幅移和相移(AM-AM和AM-PM 相應(yīng) )以及其他熱效將超過接收器路徑中低噪聲放大器(LNA)所引入的這些效應(yīng)。另外，移相器、可變衰減器和增益控制放大器以及其他器件的容差可能導(dǎo)致信道之間的相移不均勻，從而影響系統(tǒng)的預(yù)期相位相干性。
因此對前端模塊(PA和LNA)、雙工器、混頻器和濾波器等RF通信組件進行特性分析將面臨著一系列新的測量挑戰(zhàn)。為了在較大帶寬下實現(xiàn)更高的能效和線性度， 5G PA引入了數(shù)字預(yù)失真(DPD) 等線性化技術(shù)。AM-AM和AM-PM圖有助于一定程度上了解PA的行為，但是設(shè)計人員還需要考慮到寬帶5G信號具有非常明顯的記憶效應(yīng)。由于電路模型難以預(yù)測記憶效應(yīng)，因此降低記憶效應(yīng)唯一有效方法是測試PA并在時域信號通過DUT后采集該信號，并應(yīng)用DPD技術(shù)。現(xiàn)有的DPD技術(shù)要求測試設(shè)備生成并測量3到5倍帶寬的信號。這對于需要對帶寬為100、200和400 MHz的5G信號進行預(yù)失真的測試設(shè)備來說是一個很大的挑戰(zhàn)。
隨著市場需求的變化和行業(yè)的發(fā)展，對多頻段前端模塊(front-end module，F(xiàn)EM)和PAMiD(power amplifier modules with integrated duplexer，帶集成雙工器的功率放大器模塊)進行特性分析和測試也日益困難。這些器件需要能夠快速切換的多信道測試臺，以測試不同路徑和頻段組合的性能，有時可能需要并行測量不同的組合。此外，典型的測試還需要在不同的電壓電平；不同的載荷條件；有或無DPD情況下的輸出功率電平、線性度和調(diào)制精度；不同的頻段組合以及不同的溫度下進行全面測試。
許多多頻段設(shè)備必須支持E-UTRAN New Radio Dual Connectivity(EN-DC)技術(shù)，即4G和5G標(biāo)準(zhǔn)雙連接技術(shù)。因此，需要覆蓋的測試用例也不斷增加，包括單載波和載波聚合信號的多種組合。此外，這些用例不僅需要在低于6GHz的頻段下進行測試，現(xiàn)在也需要在7GHz左右的頻段下進行測試，以考慮工作于非授權(quán)頻譜的5G NR(NR-U)。由于這些設(shè)備具有更高的集成度和組件密度， 因此分析LTE和NR信號傳輸時的熱管理和散熱就變得非常重要。
解決思路：確保您的測試系統(tǒng)能夠處理多頻帶和多通道5G設(shè)備，以滿足波束成形器、FEM和收發(fā)器的需求。處理6 GHz以下的寬信號以及毫米波頻率的信號需要分析和驗證RF通信組件的性能。工程師不僅要測試創(chuàng)新的多頻帶功率放大器、低噪音放大器、雙工器、混頻器和濾波器設(shè)計，還要確保經(jīng)過改進的新型RF信號鏈能夠支持同時操作4G和5G技術(shù)。此外，為了避免傳播時出現(xiàn)大量損耗，毫米波5G測試系統(tǒng)還需要波束形成子系統(tǒng)和天線陣列，這就需要快速可靠的多端口測試解決方案。
四大規(guī)模MIMO和波束形成系統(tǒng)的無線測試使得傳統(tǒng)測量對空間的依賴性非常高
在大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，基站天線的數(shù)量遠超用戶終端的數(shù)量。因此，5G標(biāo)準(zhǔn)納入了多用戶MIMO(MU-MIMO) 技術(shù)，其中基站向有源天線系統(tǒng)饋送預(yù)編碼信號，然后在空間上將多路同步數(shù)據(jù)流發(fā)送給多個用戶，用戶端的每個接收器均可選擇其所需的數(shù)據(jù)流。為了實現(xiàn)該空間多路復(fù)用，gNB需要將輻射能量通過波束成形技術(shù)集中至各個接收器。基于波束成形技術(shù)，工程師可以實現(xiàn)MU-MIMO，以提高gNB容量并減少發(fā)射過程中的能量消耗。在毫米波頻率下，通過動態(tài)波束成形方法將輻射波束集中到UE方向可提高鏈路預(yù)算。波束成形的另一個好處是它可以創(chuàng)建波束零點并控制其方向來抑制同信道干擾，從而確保高吞吐量。
圖3 通過波束成形實現(xiàn)空間復(fù)用
隨著5G商業(yè)化的逐步實現(xiàn)，基礎(chǔ)設(shè)施和用戶設(shè)備組件的集成程度不斷增加，外形更加小巧。盡管部分組件將繼續(xù)采用易用的同軸連接器，在實驗室中對每條RF路徑進行特性分析和驗證，但由于管理和測試數(shù)十甚至數(shù)百個連接會增加復(fù)雜性和成本，占用較大的物理空間以及引入更高的插入損耗，許多波束成形系統(tǒng)可能會放棄使用天線連接器。目前的趨勢是使用片上天線(AoC)和封裝天線(AiP)設(shè)備來實現(xiàn)毫米波頻率下的波束成形，但這種設(shè)備沒有可用的RF測試端口，迫使業(yè)界亟需尋找可以使用OTA輻射測試方法來進行設(shè)備特性分析的測試系統(tǒng)。
隨著工程師從傳統(tǒng)的RF半導(dǎo)體傳導(dǎo)測試轉(zhuǎn)向OTA測試方法，他們面臨的挑戰(zhàn)是建立動態(tài)OTA測試系統(tǒng)來準(zhǔn)確測試RF性能。因此，工程師將DUT放置在電波暗室內(nèi)受控的RF環(huán)境中，與測量系統(tǒng)呈一定距離和角度，進行OTA特性分析和驗證測試。
解決思路：OTA測試技術(shù)能夠在快速精準(zhǔn)地控制運動的同時進行RF測量，讓您可以在預(yù)期的時間內(nèi)準(zhǔn)確地分析5G波束形成系統(tǒng)的特征。工程師在測試5G波束形成設(shè)備時，面臨著分析發(fā)射和接收路徑以及優(yōu)化接收和發(fā)射天線互易性的挑戰(zhàn)。比如，發(fā)射功率放大器進入壓縮區(qū)時，會產(chǎn)生幅值和相位失真及其他熱效應(yīng)，而接收路徑的LNA并不會產(chǎn)生這些現(xiàn)象。此外，移相器、可變衰減器、增益控制放大器和其它器件的容差可能導(dǎo)致通道間的相移不相同，以致影響預(yù)期的指向性圖。測量這些效應(yīng)需要采用空口(OTA)測試技術(shù)，這使得TxP、EVM、ACLR和靈敏性等傳統(tǒng)測量對空間的依賴性非常高。
五批量生產(chǎn)測試需要測試系統(tǒng)能夠快速、高效地進行擴展
無論是實驗室還是生產(chǎn)車間，5G新空口設(shè)備的寬前端模塊、PA和其他RFIC在進行特性分析和驗證時始終面臨著一些挑戰(zhàn)。對于工程師來說，測試FR1和FR2中的高帶寬信號、覆蓋更多頻段以及對無法連接RF連接器的波束成形設(shè)備進行測試，都是更艱難的挑戰(zhàn)。5G的商業(yè)化要求縮短每個DUT 的測試時間(只需幾秒鐘 ) ，提高產(chǎn)量以及降低資本和運營費用。工程師正在尋找實用的方法來部署低成本、高效率且高吞吐量的5G生產(chǎn)設(shè)備測試系統(tǒng)。
盡管OTA測試設(shè)備的需求已存在數(shù)十年，主要是在相控陣?yán)走_等國防應(yīng)用中，但許多工程師仍然對使用大型電波暗室來滿足更高產(chǎn)量目標(biāo)的傳統(tǒng)測試方法的可行性存在質(zhì)疑。每當(dāng)談及OTA測試解決方案，就不會不提到RF暗室，RF暗室已然成為OTA測試解決方案的必要組件。對于設(shè)計分析、驗證、合規(guī)性和一致性測試，適當(dāng)?shù)腞F暗室可提供安靜的RF環(huán)境，確保設(shè)計滿足所有性能和法規(guī)要求，并具有足夠的裕量和可重復(fù)性。然而，對于批量生產(chǎn)來說，傳統(tǒng)的微波暗室會占用大量的生產(chǎn)空間，并增加資本支出。
為了解決這些問題，市場上出現(xiàn)了具有 OTA 功能的 IC 測試插座(帶有集成天線的小型RF外殼)， 從而將半導(dǎo)體 OTA 測試功能小型化。盡管測量天線距離 DUT IC 只有幾厘米，但是對于每個天線元件的遠場測量來說，這個距離已經(jīng)足夠。相對較小尺寸的測試插座還有助于多站點并行測試增加測試吞吐量，同時最大限度地降低信號的功率損耗。不過，小型測試插座存在反射問題，反射會妨礙整個天線陣列的波束成形測量，這種測量的遠場距離一般是 10 厘米甚至更遠。因此，工程師需要特定的DUT測試模式，使其能夠單獨訪問每個元件，并能夠創(chuàng)建可列表的測試序列，以便減少軟件與DUT和測試儀器的交互作用，從而提高測試執(zhí)行速度。
即使采用小型RF外殼，工程師也面臨著OTA鏈路預(yù)算有限而帶來的測試挑戰(zhàn)。例如，在28 GHz 時，DUT和天線之間僅僅10 cm的距離也會導(dǎo)致自由空間路徑損耗超過30 dB(包括發(fā)射和接收天線的增益)，而如果使用同等長度的同軸電纜，損耗僅為1 dB左右。對于接收機IP3測量，OTA方法要求測試儀器在發(fā)射天線處生成高出30 dB的輸出功率，才能在DUT處獲得同等水平的接收功率。這對于基于RF暗室的OTA配置來說可能是一個挑戰(zhàn)，而對于位于1.5厘米遠的OTA插座式解決方案而言，所需的傳輸功率要低得多。
另一種OTA測試方法是生產(chǎn)測試系統(tǒng)采用更長的RF機箱。DUT會使用整個天線陣列，啟用波束成形功能，而不是單獨使用每個天線單元，并在關(guān)鍵波束成形方向上尋找聚合RF性能。這里的測試挑戰(zhàn)在于識別芯片和封裝基板之間的連接是否斷開或很弱，同時還要測量封裝內(nèi)天線的質(zhì)量。在初始生產(chǎn)階段，供應(yīng)商可以運行完整的參數(shù)OTA測試，然后在批量生產(chǎn)時切換到一部分測試。
新的測試平臺還必須能夠應(yīng)對目前5G設(shè)備對測試需求所提出的挑戰(zhàn)，并能夠擴展覆蓋范圍，以便支持未來功能更強大的設(shè)計。例如，盡管眾多制造商仍在繼續(xù)研究如何充分測試24至52GHz頻段內(nèi)的設(shè)備，但研究人員也在探索WLAN IEEE 802.11所定義的57至66GHz頻段內(nèi)的協(xié)議共存，以期不斷突破頻率和互操作性的局限性。
解決思路：選擇一個可將實驗用5G儀器擴展到生產(chǎn)現(xiàn)場的ATE平臺，簡化特性分析和生產(chǎn)測試之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。新型5G應(yīng)用和垂直行業(yè)的需求不斷增長，使得制造商每年需要生產(chǎn)的5G組件和設(shè)備呈指數(shù)級增加。制造商面臨的挑戰(zhàn)在于需要提供快捷的方法來校準(zhǔn)新設(shè)備的多個RF路徑和天線配置，并提高OTA解決方案的測試速度，以確保制造測試結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。但是，對于RFIC的批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)的RF暗室會占用大部分的生產(chǎn)廠房空間，使廠房無法放置其他流程所需的設(shè)備，導(dǎo)致材料處理流程中斷，這會大幅增加資本支出。為了解決這些問題，市面上已推出支持OTA的IC插座（具有集成天線的小型RF外殼），這些產(chǎn)品大幅減少了半導(dǎo)體OTA測試所需的占地空間。