5G毫米波OTA測試挑戰與解決之道

作者 : NI供稿

本文將從測試角度探討毫米波晶片帶來的挑戰及解決方法。

根據IHS預測,2020年5G智慧型手機全球出貨量可望超過2億支,5G手機的出現無疑為成長疲軟的智慧型手機市場注入了一劑強心針。2019年是5G商用啟航之年,加快5G應用部署,已成為業界共同努力的目標。中國工信部近日也印發了《關於印發「5G+工業網際網路」512工程推進方案的通知》,明確指出到2022年,將突破一批針對工業網際網路特定需求的5G關鍵技術,「5G+工業網際網路」的產業支撐能力顯著提升,加快垂直領域「5G+工業網際網路」的先導應用等一系列5G商用的重要舉措。

5G的廣闊前景需要大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)、波束成形(beamforming)等技術的支援,這也使得測試更加複雜化,尤其是現在Sub-6GHz頻段與毫米波(mmWave)頻段齊頭並進,必須開發新的測試設備才能跟上5G商用的節奏。對於5G測試而言,頻率的增加、天線數量增加,以及新的封裝技術,將空中下載(Over The Air;OTA)測試方法推向了舞台。

從Sub-6GHz到毫米波頻段的過渡

從技術層面來講,目前全球採用兩種不同頻段部署5G網路,即3GPP劃分的FR1頻段和FR2頻段。其中FR1頻段範圍為450MHz6GHz,被稱為Sub-6GHz頻段;FR2頻段範圍為24.25GHz52.6GHz,被稱為毫米波頻段。Sub-6GHz目前已經實現商用,毫米波頻段還有很多待開發的空間,被業界視為5G時代的關鍵。

Sub-6GHz頻段可以沿用4G時期的一些技術,與之相關的射頻(RF)元件產業鏈也相對成熟,但由於該頻段資源有限,業界將目光投向了資源相對豐富的毫米波頻段。毫米波頻段的優勢是具備大量的可用頻譜頻寬、波束窄、方向性好等,但這也將為未來5G終端及基地台的測試帶來諸多挑戰。

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圖1 5G兩大常用頻段:Sub-6GHz和毫米波頻段。

OTA是毫米波頻段測試重要技術

毫米波晶片結構更加複雜,涵蓋基頻、DAC/ADC、IF、beamformer、不同的前端RF,以及天線。在2019年11月14~15日舉行的NI年度用戶大會NIDays Asia的半導體測試分論壇上,NI全球半導體測試市場開發總監章晨從測試角度介紹了毫米波晶片帶來的挑戰:「毫米波晶片的架構中涉及到了多種待測物裡的節點,以往在這些待測點都是用RF傳導的方式透過電纜的直接連接進行測試。但是現在有很多毫米波模組是把天線整體封裝在一起,測試時無法直接接觸到模組裡的每一個元件,這就需要用OTA測試。」

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圖2 毫米波5G無線電架構。

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圖3 新5G架構元件的可能測試插入點。

隨著MIMO技術在5G中的應用,5G終端產品中的天線數量相比於4G終端成倍增加,終端設備中天線數量可能是32個、64個,在基地台中可能會達到512、1,024個。天線封裝(antenna-in-package;AiP)技術逐漸受到重視,AiP是基於封裝材料與製程,將天線與晶片整合在封裝內,實現系統級無線功能的技術。AiP兼顧了天線性能、成本及體積,是近年來天線技術升級的重要方向。

在毫米波頻段,傳統的RF傳導測試即直接用RF線纜將待測物的輸出介面與測試儀器介面連接,以進行RF測試的方式不再適用,業界紛紛嘗試OTA測試,OTA測試的推行主要有以下幾個原因:

·被測系統的複雜性:在毫米波頻段,大規模天線被廣泛使用;

·測試空間的局限性:毫米波設備由於天線和RF元件的增多,如果用RF傳導測試,線纜連接的數量增多、複雜性提高,且天線模組的整體尺寸在毫米波頻段下也很小,無法容納所有纜線連接器;

·成本問題:在以前的RF傳導測試中,可以使用低成本的SMA連接器和電纜。但是毫米波頻段需要使用特殊的連接器和電纜,導致成本的增加;

·測量的物理性質:某些參數的測量,如檢測天線陣列形成的波束方向,則必須依賴OTA測量。

OTA可以類比產品的無線訊號在空氣中的傳輸場景。還可以將產品內部輻射干擾、產品結構、天線的因素、RF晶片收發演算法、甚至人體影響等因素都考慮進去,是一種在自由空間驗證無線產品空口性能的綜合性測試方法,非常接近產品實際使用狀況。

此外,在2017年12月凍結的3GPP 5G新空中介面(new radio;NR)協議中已經寫入了關於5G基地台的所有RF性能指標的OTA測試規範,這意味著5G基地台天線一體化OTA測試將會成為5G基地台硬體性能測試的主要方案。

天線的OTA測試一般有近場區和遠場區兩種測試方式,天線輻射近場、遠場的分界為:源天線發射的球面波前端到達被測天線中心和邊緣的波程差為λ/16。換算為距離上的判斷依據為R=2D2/λ,其中,R為探測點與被測天線的距離,D為被測天線的口徑,λ為被測天線所發射電磁波波長。

而不同的測試方案會導致測試結果的差異,遠場測試是最直接的測試方式。以28GHz為例,如圖4所示為一個2×2的四根天線,對應的距離是47公分,就是半公尺左右的距離及以上,這是作為遠場。

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圖4 OTA遠場測試。

因為測試是在整個空間內進行,測試的時候涉及到轉待測物或轉天線的問題。所以NI採取了直轉待測物的方式,因為待測物相對來說比較小,待測物下方有兩軸的機械臂,透過這個機械臂兩軸旋轉,可以直接在一個半圓的網格裡測試到所需要的不同角度。

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圖5 在OTA測試中採取旋轉待測物的方法。

OTA測試的精準度受到多種因素的影響,如暗室的大小和測試的角度。判斷OTA測試的標準除了精準度,還有不確定性。增加網格上測試點的數量可以減少測量不確定性,但是會增加測試時間;使用更少的點可以加快測試速度,但是測量誤差會增加。舉一個例子,測試點數從200增加到6,000,精準度有顯著提高,但測試時間從15分鐘增加到7.5小時。依照終端對5G商用的速度要求,必須儘量縮短產品從實驗室到問世的時間。

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圖6 由於測試點數的增加,測試時間變長。

OTA驗證測試參考架構

OTA測試應該全面考慮測試環境的穩定性、測試精準度、測試效率及測試成本的問題。如前文所說,OTA測試是與RF傳導測試相對應,主要是透過「over the air」方式實現與測試儀器連接,除了需要測試儀器,還需要有OTA chamber,以及實現控制DUT和測試儀器的OTA系統軟體。

與此相對應,NI推出了高性能的毫米波OTA驗證測試參考架構,可對5G毫米波波束成形AiP元件進行全面的特性分析和驗證,該參考架構由以下部分構成:

·NI毫米波VST:用於生成和測量寬頻RF訊號;

·PXI儀器:用於實現可重複和精確的運動控制;

·隔離微波暗室,可在安靜的環境中進行真正的遠場輻射測試;

·毫米波OTA驗證測試軟體,實現互動使用和自動化。

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圖7 NI毫米波OTA參考架構。

NI OTA參考解決方案實現了基於硬體的即時運動控制系統,可以更加快速地驅動待測物定位器,更加迅速地掃描空間網格,同時觸發5G RF快速測量。這樣可縮短測試時間,提高可重複性,並減少測量儀器和運動元件之間的非確定性關係。此外,NI毫米波OTA參考解決方案還能將即時運動控制與毫米波VST的寬頻功能、高隔離度電波暗室、待測物定位器,以及RF透明熱主機殼(如果需要)整合,可用於分析待測物的溫度特性。

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圖8 NI毫米波OTA參考架構圖。

本文同步刊登於EE Times Taiwan 2020年1月號雜誌

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