5G射頻前端、基站、終端的測試難點分析

　　1 射頻前端、基站、終端的測試動向

　　NI早在十幾年前就入局5G，跟實驗室、研究所、大學(xué)等合作研究。在晶圓、射頻前端（功率放大器PA、射頻開關(guān)、天線調(diào)諧器、低噪聲放大器LNA等）、基站及終端領(lǐng)域，NI與行業(yè)領(lǐng)先廠商均有合作。

　　● 射頻前端：5G對射頻模塊產(chǎn)業(yè)的影響將是系統(tǒng)而全面的，無論是集成度、材料、工藝、封裝都將發(fā)生變革。射頻前端芯片廠商正在逐步實現(xiàn)從Sub 6GHz到毫米波頻段的部署，隨著頻段的提升，射頻前端電路需要適應(yīng)更高的載波頻率，更寬的通信帶寬，更高更有效率和高線性度的信號輸出功率。為實現(xiàn)更低的成本、更高的性能和更小的尺寸，射頻前端的集成化和模組化是必然趨勢。

　　● 基站：隨著5G商用化進(jìn)程的加快，5G基站端需求呈現(xiàn)井噴現(xiàn)象。在5G時代，“宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式是未來網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升的主要途徑。從4G到5G基站側(cè)天線數(shù)越來越多，基站總功率也隨之增加，5G基站廣泛使用大規(guī)模天線（Massive MIMO）和波束成形技術(shù) (Beamforming)技術(shù)，來提升終端信號接收強度。這對半導(dǎo)體材料提出了更高的要求，砷化鎵（GaAs）、氮化鎵(GaN)等由于能源效率提高、功率密度更大的特點，是代替LDMOS的備選。

　　業(yè)界希望把天線陣列尺寸做得更大，尺寸越大，它在空間解析的靈活度就越大，由于天線陣列的特點，分散到每一個陣列上的單一天線上所必須的發(fā)射/接收的功率縮小。此外，在基站的部分也因為導(dǎo)入毫米波之后，無論是帶寬還是后端的信息量都會變大，基帶的測試速度也要隨之提高。

　　射頻器件的封裝形式也發(fā)生了變化，5G時代天線將以AiP（Antenna in Package）技術(shù)與其他零件共同整合到單一封裝內(nèi)。AiP指的是基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能的技術(shù)。AiP技術(shù)順應(yīng)了硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的趨勢，兼顧了天線性能、成本及體積，非常適應(yīng)5G時代的要求。

　　● 終端：5G終端產(chǎn)品如手機中的天線和射頻器件的集成方式和數(shù)量均發(fā)生了變化，5G手機支持下行鏈路4×4 MIMO，上行鏈路2×2 MIMO，而4G手機大部分僅支持2×2 MIMO，總而言之，5G終端設(shè)備中射頻前端用量將翻倍，4×4 MIMO需要4根天線和4個獨立的RF通道，4×4 MIMO普及意味天線數(shù)量、PA、LNA、濾波器、射頻開關(guān)等器件用量翻倍增加。同時，終端產(chǎn)品射頻器件集成化的要求越來越高，同時也提出了低功耗和小尺寸的要求，此外，激烈的市場競爭要求終端廠商必須縮短開發(fā)周期加快產(chǎn)品上市時間。

　　2 測試的痛點及NI的對策

　　1）OTA（空口）測試。由于毫米波、大規(guī)模天線技術(shù)以及新的AiP天線封裝技術(shù)的引入使得無線設(shè)備集成度提高，無法用線纜單獨對待測件進(jìn)行測試，因此必須采用OTA測試方法。OTA 測試系統(tǒng)的核心部分包括測試暗室、轉(zhuǎn)臺定位設(shè)備、用于生成和分析信號的測試儀器、測量天線，以及用于測量自動化的控制和報告軟件。由于在空氣中毫米波功耗衰減得快，測試儀表也必須能夠輸出更大的功率或者是接收更小距離的待測件通過空口打到測試儀表這邊，再收進(jìn)來測。所以儀表也必須要能夠有更好的靈敏度，才有辦法解析待測件出來的信號，在這種情況下，空口之間的校準(zhǔn)就非常重要。NI提供靈活且可擴(kuò)展的OTA測試系統(tǒng)，以幫助廠商解決如下測試難題。

　　● 通過連續(xù)掃描3D空間，將OTA測試時間從數(shù)小時縮短至幾分鐘，并使用PXI平臺實現(xiàn)DUT定位器與射頻生成和分析引擎的緊密同步。

　　● 借助無噪聲的射頻消音室和經(jīng)過適當(dāng)特性分析的靜區(qū)，獲得可靠的OTA測量數(shù)據(jù)。

　　● 借助毫米波矢量信號收發(fā)儀來驗證AiP DUT的高帶寬波束形成性能，該收發(fā)儀支持所有3GPP信道帶寬和符合5G標(biāo)準(zhǔn)的波形。

　　● 利用NI的毫米波OTA驗證測試軟件，輕松配置各種空間掃描，以對DUT天線方向圖進(jìn)行特性分析，同時可快速生成、查看、存儲或分配詳細(xì)的參數(shù)結(jié)果。

　　2）大功率基站測試問題。隨著功耗的增加，單獨的儀表不能完成所有的測試，有一種方法是通過外加功放和衰減器的方式，但外掛設(shè)備太多會導(dǎo)致占地面積過大，還需要工程師花費時間手動校準(zhǔn)。特別是到了毫米波部分，毫米波對溫度比較敏感，細(xì)微的溫度變化對測量參數(shù)會有很大的影響。NI的解決方案會把測試頭放到了離待測件最近的地方，測試頭里面已經(jīng)做好對溫度的校準(zhǔn)補償，用戶不需要顧慮這些問題。

　　3）可擴(kuò)展的自動化測試系統(tǒng)：從Sub 6 GHz到mmWave頻段，5G更大的帶寬讓組合測試項增加，繁重的測試任務(wù)需要花費大量的人力和時間，省時省力省錢的自動化測試勢在必行。NI為客戶打造的自動化測試，能夠?qū)y試時間縮短30%~40%。而且，從實驗室到量產(chǎn)的測試可以用同樣的設(shè)備，這就避免了不同的測試設(shè)備之間測試的數(shù)據(jù)不一致的問題，驗證兩套的數(shù)據(jù)通常需要花費1個月的時間，使用NI的測試系統(tǒng)，用戶可以大幅度將這個時間縮短到4天~1周。另外，5G的標(biāo)準(zhǔn)在持續(xù)演進(jìn)，還有很多新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議要加入進(jìn)來?，F(xiàn)在的測試設(shè)備要滿足對未來的測試需求，可擴(kuò)展的5G測試系統(tǒng)非常關(guān)鍵。

　　4）從Sub 6 GHz到mmWave頻段，需要“彈性”的測試系統(tǒng)。從Sub 6 GHz到mmWave頻段的信號鏈的架構(gòu)，不同廠商各有不同。如圖1所示，有些廠商的射頻前端可能就只包括到PA的部分，有些包含了上下變頻器。在測試方面，就有射頻進(jìn)中頻出，射頻進(jìn)射頻出，中頻進(jìn)中頻出等眾多可能性。因此，針對測試架構(gòu)的測試系統(tǒng)必須能夠“彈性”的配置。

　　毫米波設(shè)備從實驗室到量產(chǎn)的測試需要一套高度集成的測試方案。為應(yīng)對毫米波端的測試，NI推出了mmWave VST（NI 毫米波矢量信號收發(fā)器），該產(chǎn)品沿襲了NI VST家族高集成度的風(fēng)格，結(jié)合了射頻信號發(fā)生器、射頻信號分析儀和集成開關(guān)，該產(chǎn)品從提高測試速度與提供量產(chǎn)級別的高性能測試系統(tǒng)兩個方面，幫助5G設(shè)備廠商加速研發(fā)。

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期。）