5G時(shí)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(cè)試和測(cè)量新設(shè)備的RF性能帶來(lái)了重大挑戰(zhàn),。為了滿足市場(chǎng)對(duì)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(cè)試系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
一波形變得更寬且更復(fù)雜
3GPP一直以來(lái)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(gè)信道寬帶,。除了這些參數(shù)外,，5G波形還包括用于信道估計(jì)、優(yōu)化MIMO操作和振蕩器相位噪聲補(bǔ)償?shù)膮⒖夹盘?hào),。5G波形引入了自包含(self-contained)集成子幀設(shè)計(jì),，同一個(gè)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(rèn),。
5G基站以及其他基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備,，簡(jiǎn)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(kuò)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(lái)進(jìn)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(hào)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(gè)RF規(guī)范的要求會(huì)因兩種不同頻率范圍而有所不同,。低頻范圍內(nèi)(FR1)的信號(hào)可以使用頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)兩種模式，帶寬高達(dá)100MHz,，載波聚合頻率高達(dá)400MHz,。而FR2信號(hào)的頻率最高可達(dá)52.6GHz ，僅可在TDD模式下運(yùn)行,，并且單信道帶寬高達(dá)400MHz,。FR2信號(hào)還可以將多個(gè)載波組合在一起，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)800MHz的聚合帶寬,。不久之后,，規(guī)范可能會(huì)將這一聚合帶寬提高至超過(guò)1GHz。
解決思路：所有這些因素都給研究人員和工程師研究對(duì)應(yīng)的新波形帶來(lái)了更大難度,。他們?cè)趧?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(hào)方面面臨著新的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些信號(hào)相比以往具有更多配置,、選項(xiàng)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(cè)試臺(tái)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(jì)高效地覆蓋廣泛的頻率范圍
為了實(shí)現(xiàn)5G增強(qiáng)型移動(dòng)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(gè)基本頻率范圍內(nèi)不同信道帶寬下的寬帶場(chǎng)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(kāi)發(fā)專用的毫米波測(cè)試系統(tǒng),，這些系統(tǒng)往往造價(jià)不菲,，但對(duì)于面向大眾市場(chǎng)的移動(dòng)行業(yè)來(lái)說(shuō)，目前尚未有合適的毫米波測(cè)試系統(tǒng),。由于各種新設(shè)備的不斷出現(xiàn)及未知的未來(lái)需求,，開(kāi)發(fā)更有效的驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)測(cè)試工程師而言是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的5G設(shè)備(包括最新的毫米波組件)測(cè)試方法需要工程師使用一系列昂貴的大型臺(tái)式儀器進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試,。工程師很難集成,、擴(kuò)展或優(yōu)化其儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備驗(yàn)證。工程師亟需經(jīng)濟(jì)高效的測(cè)試設(shè)備來(lái)針對(duì)新設(shè)備類型配置大量測(cè)試平臺(tái),，這些測(cè)試設(shè)備應(yīng)具備以下特點(diǎn)：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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試是否共存,。為了適應(yīng)快速變化的測(cè)試要求,，他們需要基于軟件的模塊化測(cè)試和測(cè)量平臺(tái)來(lái)覆蓋較寬的頻率范圍。
解決思路：投資到能夠評(píng)估現(xiàn)有和新頻帶性能的寬帶測(cè)試平臺(tái),。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(lái)變化的儀器。
三組件特性分析和驗(yàn)證需要更大量測(cè)試
5G的初始部署可能采用非獨(dú)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(jìn)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(yàn)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(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)5G和LTE信號(hào)的載波共享， 因而工程師需要使用間隔非常小的信號(hào)來(lái)驗(yàn)證其設(shè)備的性能,。
未來(lái)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(cè)試其設(shè)備對(duì)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(gè)無(wú)線電收發(fā)器時(shí),，工程師必須進(jìn)一步關(guān)注帶內(nèi)和帶外信號(hào)的濾波和抗擾設(shè)計(jì),，以確保設(shè)備內(nèi)不同標(biāo)準(zhǔn)的共存。某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的諧波,、非線性頻譜增生以及各種雜散會(huì)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(kāi)發(fā)發(fā)射/接收系統(tǒng)時(shí)必須考慮的另一項(xiàng)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(dòng)發(fā)射功率放大器(PA)完全進(jìn)入壓縮區(qū)時(shí),，該P(yáng)A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(guò)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(duì)前端模塊(PA和LNA),、雙工器、混頻器和濾波器等RF通信組件進(jìn)行特性分析將面臨著一系列新的測(cè)量挑戰(zhàn),。為了在較大帶寬下實(shí)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(jì)人員還需要考慮到寬帶5G信號(hào)具有非常明顯的記憶效應(yīng),。由于電路模型難以預(yù)測(cè)記憶效應(yīng)，因此降低記憶效應(yīng)唯一有效方法是測(cè)試PA并在時(shí)域信號(hào)通過(guò)DUT后采集該信號(hào),，并應(yīng)用DPD技術(shù)?，F(xiàn)有的DPD技術(shù)要求測(cè)試設(shè)備生成并測(cè)量3到5倍帶寬的信號(hào)。這對(duì)于需要對(duì)帶寬為100,、200和400 MHz的5G信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真的測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),。
隨著市場(chǎng)需求的變化和行業(yè)的發(fā)展，對(duì)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(jìn)行特性分析和測(cè)試也日益困難。這些器件需要能夠快速切換的多信道測(cè)試臺(tái),，以測(cè)試不同路徑和頻段組合的性能,，有時(shí)可能需要并行測(cè)量不同的組合。此外,，典型的測(cè)試還需要在不同的電壓電平,；不同的載荷條件；有或無(wú)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(jìn)行全面測(cè)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(cè)試用例也不斷增加,，包括單載波和載波聚合信號(hào)的多種組合,。此外，這些用例不僅需要在低于6GHz的頻段下進(jìn)行測(cè)試,，現(xiàn)在也需要在7GHz左右的頻段下進(jìn)行測(cè)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(hào)傳輸時(shí)的熱管理和散熱就變得非常重要,。
解決思路：確保您的測(cè)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(hào)以及毫米波頻率的信號(hào)需要分析和驗(yàn)證RF通信組件的性能。工程師不僅要測(cè)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(jì)，還要確保經(jīng)過(guò)改進(jìn)的新型RF信號(hào)鏈能夠支持同時(shí)操作4G和5G技術(shù),。此外,，為了避免傳播時(shí)出現(xiàn)大量損耗，毫米波5G測(cè)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(cè)試解決方案,。
四大規(guī)模MIMO和波束形成系統(tǒng)的無(wú)線測(cè)試使得傳統(tǒng)測(cè)量對(duì)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(yuǎn)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(hào),，然后在空間上將多路同步數(shù)據(jù)流發(fā)送給多個(gè)用戶,，用戶端的每個(gè)接收器均可選擇其所需的數(shù)據(jù)流。為了實(shí)現(xiàn)該空間多路復(fù)用,，gNB需要將輻射能量通過(guò)波束成形技術(shù)集中至各個(gè)接收器,。基于波束成形技術(shù),，工程師可以實(shí)現(xiàn)MU-MIMO,，以提高gNB容量并減少發(fā)射過(guò)程中的能量消耗。在毫米波頻率下,，通過(guò)動(dòng)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(gè)好處是它可以創(chuàng)建波束零點(diǎn)并控制其方向來(lái)抑制同信道干擾，從而確保高吞吐量,。
圖3 通過(guò)波束成形實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用
隨著5G商業(yè)化的逐步實(shí)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(shí)驗(yàn)室中對(duì)每條RF路徑進(jìn)行特性分析和驗(yàn)證，但由于管理和測(cè)試數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)連接會(huì)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(huì)放棄使用天線連接器。目前的趨勢(shì)是使用片上天線(AoC)和封裝天線(AiP)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波頻率下的波束成形,，但這種設(shè)備沒(méi)有可用的RF測(cè)試端口,，迫使業(yè)界亟需尋找可以使用OTA輻射測(cè)試方法來(lái)進(jìn)行設(shè)備特性分析的測(cè)試系統(tǒng)。
隨著工程師從傳統(tǒng)的RF半導(dǎo)體傳導(dǎo)測(cè)試轉(zhuǎn)向OTA測(cè)試方法,，他們面臨的挑戰(zhàn)是建立動(dòng)態(tài)OTA測(cè)試系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量系統(tǒng)呈一定距離和角度,，進(jìn)行OTA特性分析和驗(yàn)證測(cè)試,。
解決思路：OTA測(cè)試技術(shù)能夠在快速精準(zhǔn)地控制運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行RF測(cè)量，讓您可以在預(yù)期的時(shí)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(cè)試5G波束形成設(shè)備時(shí),，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(jìn)入壓縮區(qū)時(shí)，會(huì)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(huì)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(cè)量這些效應(yīng)需要采用空口(OTA)測(cè)試技術(shù),，這使得TxP、EVM,、ACLR和靈敏性等傳統(tǒng)測(cè)量對(duì)空間的依賴性非常高,。
五批量生產(chǎn)測(cè)試需要測(cè)試系統(tǒng)能夠快速、高效地進(jìn)行擴(kuò)展
無(wú)論是實(shí)驗(yàn)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(jìn)行特性分析和驗(yàn)證時(shí)始終面臨著一些挑戰(zhàn)。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō),，測(cè)試FR1和FR2中的高帶寬信號(hào),、覆蓋更多頻段以及對(duì)無(wú)法連接RF連接器的波束成形設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，都是更艱難的挑戰(zhàn),。5G的商業(yè)化要求縮短每個(gè)DUT 的測(cè)試時(shí)間(只需幾秒鐘 ) ,，提高產(chǎn)量以及降低資本和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。工程師正在尋找實(shí)用的方法來(lái)部署低成本,、高效率且高吞吐量的5G生產(chǎn)設(shè)備測(cè)試系統(tǒng),。
盡管OTA測(cè)試設(shè)備的需求已存在數(shù)十年，主要是在相控陣?yán)走_(dá)等國(guó)防應(yīng)用中,，但許多工程師仍然對(duì)使用大型電波暗室來(lái)滿足更高產(chǎn)量目標(biāo)的傳統(tǒng)測(cè)試方法的可行性存在質(zhì)疑,。每當(dāng)談及OTA測(cè)試解決方案，就不會(huì)不提到RF暗室,，RF暗室已然成為OTA測(cè)試解決方案的必要組件,。對(duì)于設(shè)計(jì)分析、驗(yàn)證,、合規(guī)性和一致性測(cè)試,，適當(dāng)?shù)腞F暗室可提供安靜的RF環(huán)境,，確保設(shè)計(jì)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(duì)于批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的微波暗室會(huì)占用大量的生產(chǎn)空間,，并增加資本支出,。
為了解決這些問(wèn)題，市場(chǎng)上出現(xiàn)了具有 OTA 功能的 IC 測(cè)試插座(帶有集成天線的小型RF外殼),， 從而將半導(dǎo)體 OTA 測(cè)試功能小型化,。盡管測(cè)量天線距離 DUT IC 只有幾厘米，但是對(duì)于每個(gè)天線元件的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量來(lái)說(shuō),，這個(gè)距離已經(jīng)足夠,。相對(duì)較小尺寸的測(cè)試插座還有助于多站點(diǎn)并行測(cè)試增加測(cè)試吞吐量，同時(shí)最大限度地降低信號(hào)的功率損耗,。不過(guò),，小型測(cè)試插座存在反射問(wèn)題，反射會(huì)妨礙整個(gè)天線陣列的波束成形測(cè)量,，這種測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)距離一般是 10 厘米甚至更遠(yuǎn),。因此，工程師需要特定的DUT測(cè)試模式,，使其能夠單獨(dú)訪問(wèn)每個(gè)元件,，并能夠創(chuàng)建可列表的測(cè)試序列，以便減少軟件與DUT和測(cè)試儀器的交互作用,，從而提高測(cè)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(lái)的測(cè)試挑戰(zhàn),。例如,，在28 GHz 時(shí)，DUT和天線之間僅僅10 cm的距離也會(huì)導(dǎo)致自由空間路徑損耗超過(guò)30 dB(包括發(fā)射和接收天線的增益),，而如果使用同等長(zhǎng)度的同軸電纜,，損耗僅為1 dB左右。對(duì)于接收機(jī)IP3測(cè)量,，OTA方法要求測(cè)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(duì)于基于RF暗室的OTA配置來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)挑戰(zhàn),，而對(duì)于位于1.5厘米遠(yuǎn)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(cè)試方法是生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)采用更長(zhǎng)的RF機(jī)箱。DUT會(huì)使用整個(gè)天線陣列,，啟用波束成形功能,，而不是單獨(dú)使用每個(gè)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(cè)試挑戰(zhàn)在于識(shí)別芯片和封裝基板之間的連接是否斷開(kāi)或很弱,，同時(shí)還要測(cè)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(yùn)行完整的參數(shù)OTA測(cè)試,，然后在批量生產(chǎn)時(shí)切換到一部分測(cè)試。
新的測(cè)試平臺(tái)還必須能夠應(yīng)對(duì)目前5G設(shè)備對(duì)測(cè)試需求所提出的挑戰(zhàn),，并能夠擴(kuò)展覆蓋范圍,，以便支持未來(lái)功能更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)。例如,，盡管眾多制造商仍在繼續(xù)研究如何充分測(cè)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(gè)可將實(shí)驗(yàn)用5G儀器擴(kuò)展到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的ATE平臺(tái)，簡(jiǎn)化特性分析和生產(chǎn)測(cè)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(zhǎng),，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(jí)增加。制造商面臨的挑戰(zhàn)在于需要提供快捷的方法來(lái)校準(zhǔn)新設(shè)備的多個(gè)RF路徑和天線配置,，并提高OTA解決方案的測(cè)試速度,，以確保制造測(cè)試結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。但是,，對(duì)于RFIC的批量生產(chǎn),，傳統(tǒng)的RF暗室會(huì)占用大部分的生產(chǎn)廠房空間，使廠房無(wú)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(huì)大幅增加資本支出。為了解決這些問(wèn)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(cè)試所需的占地空間。