眾所周知,目前全球采用兩種不同頻段部署5G網(wǎng)絡(luò),即3GPP劃分的FR1頻段和FR2頻段,其中FR1頻段范圍為450MHz-6GHz,最大帶寬100MHz,被稱為Sub-6GHz頻段;FR2頻段范圍為24．25GHz-52．6GHz,最大帶寬400MHz,被稱為毫米波頻段,兩者共同組成了5G頻段。

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5G改變了什么?

為了充分利用頻譜資源,5G在系統(tǒng)中引入了眾多針對新應(yīng)用場景進(jìn)行了高度優(yōu)化的技術(shù),例如網(wǎng)絡(luò)切片、頻譜共享和共存、聚合帶寬高達(dá)1GHz的載波聚合、大規(guī)模MIMO和天線陣列系統(tǒng)、以及固定無線接入,小型基站和毫米波技術(shù)等等,這直接導(dǎo)致5G射頻前端模塊(RF FEM)所需要的功率放大器(PA)、濾波器(Filter)、開關(guān)(Switch)、低噪聲放大器(LNA)和天線調(diào)諧器(Tuner)的需求量倍增。此外,5G智能手機(jī)開發(fā)商還擔(dān)心RF器件的質(zhì)量、散熱和能效問題,以及如何將所有這些RF模塊全部塞到一部5G手機(jī)里。

以大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)技術(shù)為例,5G終端產(chǎn)品中的天線數(shù)量相比于4G終端成倍增加,終端設(shè)備中天線數(shù)量可能是32個(gè)、64個(gè),在基站中可能會達(dá)到512、1024個(gè)。之所以使用大規(guī)模天線陣列,原因在于天線的輻射方向是通過設(shè)計(jì)固定的,通常很難控制或改變它,除非改變天線的幾何形狀。而在5G中,相控陣天線則使用波束成型技術(shù)來動(dòng)態(tài)控制輻射方向,實(shí)現(xiàn)方式主要包括以下4種:

由多個(gè)天線在同一時(shí)間以同一頻率輻射而成。

輻射方向由每個(gè)天線單元波的矢量疊加

相控陣可以通過控制陣列中每個(gè)天線單元的相位來控制其輻射方向

天線單元越多,天線孔徑越大,主瓣增益越大,波束越窄

同時(shí),這也使得天線封裝技術(shù)AiP(antenna-in-package)逐漸受到重視。Yole Development的數(shù)據(jù)顯示,AiP模組于2019年開始產(chǎn)生銷售,預(yù)計(jì)到2025 年市場空間將達(dá)到13億美元,年均復(fù)合增長率為68%。

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再以高通最新發(fā)布的第4代高通毫米波天線模組為例,該模組支持比前代產(chǎn)品更高的發(fā)射功率,支持包括n259(41GHz)新頻段在內(nèi)的全球所有毫米波頻段,但卻同時(shí)保持了與前代產(chǎn)品一樣緊湊的占板面積。

手機(jī)架構(gòu)的變化

測試需求

天線陣列和芯片封裝為一體(AIP)

需要在毫米波頻率測試更多端口

MIMO天線使用波束成型技術(shù)

需要?jiǎng)?chuàng)新的測試技術(shù)來測試這項(xiàng)功能

芯片數(shù)量指數(shù)級增長

更高site count和throughput

另一個(gè)特別值得關(guān)注的,是毫米波技術(shù)的引入。

由于采用了毫米波頻段和正交頻分復(fù)用(OFDM)波形,再加上新興的先進(jìn)傳輸方法,使得5G新無線(NR)的空中接口不但與以往幾代的移動(dòng)通信完全不同,也使得毫米波芯片結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,涵蓋基帶、DAC/ADC、IF、波束成形、不同的射頻前端、天線等多個(gè)復(fù)雜組件。數(shù)據(jù)顯示,2020年之后,5G手機(jī)上僅與毫米波相關(guān)的IC數(shù)量就達(dá)到了9-15顆,而為了支持10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,手機(jī)中還增加了貼片天線陣列。因此,對測試工程師來說,他們面對的挑戰(zhàn)注定非比尋常。

這意味著,為達(dá)到 0 DPPM的質(zhì)量水準(zhǔn),測試人員不但要控制質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),還需要進(jìn)行更多功能測試,包括增加prober和模組端的功能測試、可以檢測由于上游模組質(zhì)量或者裝配導(dǎo)致的故障、面對5G的豐富應(yīng)用場景,提供多樣化的測試用例、以及進(jìn)行特性測試用以揭示失效機(jī)制。

毫米波頻段測試的重要技術(shù)

5G毫米波手機(jī)架構(gòu)由基帶芯片、中頻芯片和毫米波射頻芯片組成。三者配合完成基帶信號到中頻再到毫米波的轉(zhuǎn)化,中頻芯片的頻率范圍一般在6-15GHz,毫米波芯片一般工作在24．25-52．6GHz的毫米波頻段。

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毫米波中頻和射頻芯片的測試項(xiàng)目,和典型RF收發(fā)器(transceiver)芯片類似,主要的測試項(xiàng)目仍然是線性度和靈敏度以及直流/DFT(BIST/Scan)等。

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在傳統(tǒng)的3G、4G測試中,芯片中的多個(gè)測試端口都是通過射頻線纜與測試儀表接口連接開展RF測試。然而在5G測試中,不但出現(xiàn)了大規(guī)模天線陣列,而且天線和芯片通過封裝已經(jīng)合成一體,測試時(shí)無法直接接觸到模組里的每一個(gè)器件。此外,測試對象也不僅是天線,而是整個(gè)系統(tǒng),由于天線和射頻器件增多,測試空間日漸狹小,使得業(yè)界開始紛紛嘗試OTA(Over The Air)測試。

OTA測試也被稱作“空口測試”。眾所周知,天線是信號到自由空間的轉(zhuǎn)換器和接口,大天線封裝孔徑一般大于1/2波長,小天線一般小于1/2波長。由于電磁場的特性與天線的距離密切相關(guān),所以天線測試一般又分為近場測試和遠(yuǎn)場測試。進(jìn)一步細(xì)分的話,場區(qū)又會被分為“反應(yīng)區(qū)”和“輻射區(qū)”,反應(yīng)區(qū)里電場和磁場的能量最強(qiáng),電磁波相對較弱;遠(yuǎn)場基本是真正意義上的電磁波輻射了,輻射形式不會隨著距離改變,它在大氣中以3億米/秒的速度傳播, 兩者之間被稱之為“過渡區(qū)”。

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實(shí)驗(yàn)室中毫米波的測試需要在吸波暗室中進(jìn)行, 測試設(shè)備主要包括RF測試設(shè)備和吸波暗室,前者主要包括信號發(fā)生器,頻譜儀和矢量分析儀等,暗室使用CATR(緊湊場)還是DFF(直接遠(yuǎn)場)一般根據(jù)波長來決定。此外,實(shí)驗(yàn)室一般還會進(jìn)行波束成型測試和溫度測試。泰瑞達(dá)旗下的LitePoint儀表可以為毫米波測試提供完整測試方案。

而如果走出實(shí)驗(yàn)室,面對UE(用戶設(shè)備)的制造測試時(shí),流程將主要包括以下三部分:

1．SMT PCBA的校準(zhǔn)和測試;

2．毫米波模組的校準(zhǔn)和測試;

3．最終成品的測試驗(yàn)證。

但顯然,真正待測的5G設(shè)備不會只有區(qū)區(qū)幾臺,未來幾年內(nèi)將有數(shù)十億臺5G設(shè)備面世,這就使蜂窩無線設(shè)備的大批量生產(chǎn)測試比以往更加復(fù)雜,如果不精打細(xì)算,無線測試的成本將會進(jìn)一步提升。因此,5G毫米波芯片在量產(chǎn)中的測試策略,主要包括如下流程:

1． 晶圓測試:需要使用到ATE和探針臺。主要包括CW毫米波功能測試,DC/Digital/BIST和5G RAN三溫測試等。主要目的是在早期階段驗(yàn)證芯片性能,最大限度幫助提高良率;

2． 天線封裝模塊測試(AiP 或 AoB):主要包括毫米波天線的X-RAY檢測,AiP和AoB天線的裝配良率測試和不同頻帶的多單元測試。要求毫米波天線裝配0 DPPM。

3． OTA模塊連接測試:需要使用到ATE Handler。OTA模塊的測試需要高質(zhì)量的Socket來滿足毫米波的測試需求。主要包括偶極子天線和貼片天線的連通性測試,有限的功能測試和多單元測試。要求保證毫米波天線輻射性能0 DPPM。

4． OTA模塊功能測試:需要使用到OTA的Socket或者屏蔽盒。主要包括OTA遠(yuǎn)場或近場測試,完全的功能測試,遠(yuǎn)場的波束成型測試(驗(yàn)證corner芯片的遠(yuǎn)場性能),5G RAN的多單元和三溫測試。保證了毫米波模塊的功能指標(biāo)0 DPPM。

5． 系統(tǒng)板上OTA測試:屬于系統(tǒng)級測試。需要OTA遠(yuǎn)場測試,完全的功能測試,波束成型和多單元測試,這一環(huán)節(jié)中可以寫入校準(zhǔn)參數(shù)。保證了毫米波模塊和天線的整體性能達(dá)標(biāo)。

6． 最終成品OTA測試:也是系統(tǒng)級的測試。需要進(jìn)行遠(yuǎn)場測試,完全功能測試,所有載波單元的EVM測試,波束成型校準(zhǔn),載波聚合測試 和5G RAN的多單元和三溫測試。保證毫米波和天線的整體性能,寫入最終的校準(zhǔn)參數(shù),確保0 RMA。

其中,CP測試、OTA連通測試和最終成品OTA測試,是大規(guī)模量產(chǎn)中必須包含的。泰瑞達(dá)的UltraFlex 毫米波板卡和LitePoint IQgig5G在不同的測試階段可以提供相應(yīng)的毫米波測試解決方案。

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泰瑞達(dá)提供的UltraWaveMX44和UltraWaveMX20板卡只需使用測試設(shè)備中的單個(gè)插槽,可以基于安裝基數(shù)很龐大的UltraWave24測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升級。進(jìn)行升級時(shí)也無需調(diào)整系統(tǒng)配置,因此可實(shí)現(xiàn)利用同一個(gè)測試系統(tǒng)完成對4G和5G毫米波芯片的測試,從而能夠?qū)⑿屡d毫米波應(yīng)用的半導(dǎo)體器件更快推向市場。

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結(jié)語

5G,尤其是毫米波時(shí)代的來臨,正在改變傳統(tǒng)的芯片測試場景。它要求ATE機(jī)臺既要具備從OTA測試、天線陣列測試到覆蓋Sub-6GHz和毫米波全頻段的測試能力,又對上市時(shí)間、測試成本和測試指標(biāo)提出了更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。作為全球領(lǐng)先的測試廠商,泰瑞達(dá)正與生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴一起,針對5G無線標(biāo)準(zhǔn)最新設(shè)備的特性分析和量產(chǎn)測試,打造全面解決方案。