降低5G測試成本的五種方法

作者 : Rex Chen,LitePoint 5G戰略業務發展總監

據估計,未來幾年將有數十億台5G裝置面世,5G裝置製造商必須在克服成本限制的同時交付高品質的產品。本文提供五種策略可以協助OEM因應5G裝置面臨的全新挑戰並降低測試成本...

據估計,在未來幾年內將有數十億台5G裝置面世,5G裝置製造商必須在克服成本限制的同時交付高品質的產品。專注於開發量產型5G產品的行動裝置OEM和合約製造商發現,生產測試的經濟環境正迅速變化。5G增加了sub-6 GHz的新頻段,加上5G毫米波(mmWave)的測試頻率更高,使得蜂巢式無線裝置的大量生產測試比起以往更加複雜,如果不精打細算,無線測試的成本將會大幅攀升。

此外,由於電子裝置和天線更加緊密整合,導致5G mmWave (也稱為5G FR2)的傳導測試不再可行。如圖1所示,mmWave的標準測試方法需要對手機裝配和模組級的最終產品進行OTA無線測試,而無法再沿用2G~4G以及5G中sub-6 GHz頻段(也稱為5G FR1)時的板載晶片測試。以下提出五種策略協助OEM因應5G裝置面臨的這些新挑戰並降低測試成本。

1:出廠測試涵蓋從元件到成品的全部過程。

多裝置測試

隨著4G導入了眾多新的LTE-FDD和LTD-TDD頻段,測試技術進一步發展,每個測試站都可以進行多待測物(即multi-DUT)的測試。5G的頻段數量持續大幅增加,加上更多天線支援新的中頻段頻譜和MIMO技術,進一步為製造測試帶來了新的挑戰。測試的複雜度更高,每個裝置的測試時間也更長。在5G中,利用每台測試儀實施multi-DUT測試,可以透過更大的測試能量來分擔所增加的測試時間,從而獲得更高的「每小時特定測試量」(UPH)。圖2是一個標準的工廠生產設置,其中有4款裝置透過軟體測試程式連接至硬體測試儀。

2:單台測試儀可以平行測試多款裝置。

圖3展示如何平行測試多款裝置,從而最大限度地提升測試設備利用率,同時盡可能地減少閒置時間(如DUT控制和穩定時間)。

3:當工廠透過單項設置測試多款裝置時,可以更有效地利用資源。

測量效率

射頻(RF)參數測量是在大量生產環境中驗證裝置性能的核心環節。3GPP標準針對這些特定的RF測量提供一系列的建議測試項目,例如發射功率、誤差向量幅度(EVM)和相鄰通道洩漏功率比(ACLR)等(圖4)。製造商一直力求減少RF測試項目的混雜(在不影響DUT品質的情況下),並透過將出廠測試流程分散到生產線的多個站點(例如2G至4G使用一個站台,5G則使用另一個),以改善生產效率以及需求節拍時間。

4:功率時間測量結果展現了參數的變化趨勢。

平行資料處理與分析

工廠生產時,需要對DUT執行RF校準和RF驗證。標準測量涉及的發射功率和頻率範圍,可能涵蓋多種通道和無線規格。藉由5GNR,可以分析比以前更複雜、運算更密集的波形。因此,測試裝置架構需要考慮運算更密集的5G訊號號分析,同時透過硬體或軟體提供高效率的平行測量。例如,可以在軟體中開發創新型啟發式演算法,以加快測量分析過程。這兩種技術(硬體或軟體)都有助於實現在RF校準和RF驗證測試中進行平行資料處理與分析的目標。

測試流程自動化

測試流程自動化是改善5G裝置測試的另一種有效方法,由於OTA測試設置及其複雜,因此這種方法對於5G mmWave尤為重要。首先,軟體測試自動化程式不僅必須控制待測設備和測試設備,還需要控制用於OTA mmWave測試的OTA測試室。由於24GHz及以上頻段的訊號傳播能力較差,因此支援這些頻段的5G裝置(例如n257至n261)內建多個mmWave天線模組。為了使用精確的輻射模式測試這些mmWave天線模組,RF測試室需要借助定位器來旋轉裝置或使用多個喇叭天線(horn antenna)進行OTA測試。圖5顯示從執行軟體測試到利用定位器旋轉裝置,從而將硬體儀器以及用於5G mmWave測試的測試室綁定在一起的整個測試流程。

5:定位器用於改變DUT與測量天線間的相對角度。

另一種測試多個mmWave天線模組的方法是在測試室外殼內部安裝多根喇叭天線,並確保喇叭天線和裝置的mmWave模組之間具備高精度視野,如圖6所示。

6:使用多根天線可執行訊號功率等參數測試。

白盒測試

OEM通常不願在一致性測試中透露其5G mmWave模組裝置天線的結構,以免產品設計資訊外流。因此,黑盒測試成為這些情況下的標準選擇。但是,在大量生產測試中,情況則有所不同。

透過瞭解裝置硬體設計並掌握大量生產裝置中的天線mmWave波模組佈署後,測試工程師即可預設喇叭天線的佈署和定位器的移動方式,以提高測試流程的效率,而無需對天線陣列執行額外的近場掃描。此外,將DUT開口的中心放置在測試區域的中心,可以節省更多測試時間。這就是所謂的「白盒測試」(white-box testing),它是黑盒測試的一種替代方法,測試裝置被置於測試區域的中心(圖7)。

7:黑盒測試(上圖)與白盒測試(下圖)不同。在黑盒測試中,無從得知DUT的內部工作狀態。

總結

5G是一項令人振奮的全新通訊標準,旨在提供更高的頻寬、更低的延遲以及超高的可靠性。在3GPP標準中存在許多變異以及高度靈活性,這使得5G波形的分析更加複雜。

從新的硬體設計要求(5G mmWave中的整合天線)到3GPP標準的發展,5G裝置製造商面臨著新的測試挑戰,必須確保全面的產品品質以及兼具測試成本效益。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年11月號)

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