破解從4G到5G的測試挑戰

馬健銳

1 5G的測試挑戰

4G及更早期的移動通信制式，工作頻段都在3 GHz以下，最大單載波帶寬不超過20 MHz，業界對3 GHz以下的器件和材料有較多的研究和技術儲備，器件的工藝及技術性能基本上可以滿足大規模商用的需求。為了滿足5GKPI和用戶場景的需要，5G引入了更多新頻段。3GPP 5G NR}旨定的FR1頻段包括（460-7 125） MHz，2019年11月召開的世界無線電通信大會（WRC-19）分配給5G FR2的頻譜包括（24.25-27.5） GHz， （37-43.5） GHz， （45.5-47） GHz，（47.2-48.2） GHz和（66-71） GHz。這些頻譜的分配為5G實現其三大應用場景奠定了落地基礎。

在我國，工信部批復了（24.75-27.5） GHz和（37-42.5） GHz作為高頻試驗頻段，我國當前正在進行的IMT2020 5G增強技術試驗也已經開始面向預商用級別的毫米波基站、毫米波終端芯片的相關測試工作。

按照目前的行業水平，一款芯片或器件從立項到商用大約要5-6年時間。由于5G新頻段的引入，應用于這些新頻段的芯片、器件的市場需求、技術儲備、工藝水平、產品性能、量產能力等方面有許多不確定性和技術瓶頸，亟待行業突破。從3GPP 5G NR關于FR2方面的測試標準的完善程度可以一窺端倪。

5G高頻器件的產品形態相對于低頻發生了改變，器件呈現芯片化、集成化、小型化的趨勢，對高頻器件的系統設計、制造工藝、裝配和測試技術提出了更嚴格的要求。例如毫米波天線已經采用了芯片化的封裝，天線與有源的射頻前端器件集成在一起，已經不能使用傳統的傳導測試方法進行測試，轉而采用不確定度更大的OTA測試方法。而射頻前端FEM類似，頻率高、大帶寬，有多種不同的功率覆蓋需求，CMOS由于噪聲系數、輸出功率的相對劣勢，已經不能一統江湖，業內已經引入砷化鎵、氮化鎵、SiGe等半導體制造工藝。由于5G新頻段以及Massive MIMO的引入，5G設備中會加入更多數量的濾波器。傳統SAW、BAW工藝的濾波器的性能極限由于覆蓋不到24 GHz以上的頻段，面向毫米波頻段的濾波器目前仍有若干種可選工藝方案正在探究。

總之，5G中高頻段器件除了保留了大部分低頻段器件的測試需求以外，由于自身產品形態和工藝路線發生了改變，測試可行性的問題也伴隨發生，測試方法需要相應改變，測試難度和不確定度相應增加。

2 工程師開發時的痛點

5G的器件類型十分眾多，有眾多分類方法，例如分為集成電路、分立器件，或者分為無源器件、有源器件，按照端口數目，分為單端口、二端口、多端口器件等。以收發信機（圖1）為例，無源器件包括：電感、電容、傳輸線、電纜和接頭、濾波器、功分器、耦合器、天線、環形器、隔離器、開關、移相器等。有源器件包括：功放、低噪放、混頻器、調制器、振蕩器等、ADC、DAC等。

不僅器件種類多，而且每種器件都有相應的測量方法，測試的標準和指標也不盡相同，表1列出的幾種類型的測試指標及其對應測試工具。

可以看到，產品和器件的研發過程中測試需求多，測試場景復雜，測試挑戰很多。以功放PA EVM測試為例，針對5G毫米波和大寬帶PA的EVM測試與傳統的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和大帶寬信號本身信噪比就不高，由測試儀表和測試附件所引入的殘余EVM，會嚴重影響測試結果的可信度，測試工程師需要清楚了解誤差來源，調試校準測試系統到最小的不確定度。還有一種場景也經常出現，1個器件的測試通常會包括很多參數的測量，一般情況下需要多次插拔連接多種測試工具，測量過程繁雜且容易出錯，經常可見被測件多次插拔后損壞的現象。例如載片測試，測試工程師需要盡可能1次連接完成多個測量。再舉一個常見的例子，例如天線等多端口器件的測試。5G天線通常是以天線陣形式存在，傳統單端口天線或者LTE天線需要簡單測駐波、隔離、回波損耗參數等，而5G天線陣列的1個子陣就有多達幾十個天線陣子，需要測試工具能夠自動測試高達32個天線陣子之間的耦合、隔離、駐波等參數。

3 是德的解決方案

是德科技的5G測試解決方案為客戶提供從研發、驗證到部署的全工作流程測試工具，滿足客戶從L1物理層到L7應用層的測試需求。是德科技5G測試解決方案，被全球移動運營商、系統設備廠家、芯片廠家、手機廠家廣泛使用，加速了第一波商用5G網絡和5G智能手機的浪潮，是德科技的先進技術和豐富經驗協助客戶提供品質卓越的5G移動通信產品和服務。與客戶緊密的合作，不僅加速了5G創新和商用，同時使是德科技的解決方案很好地保持技術的先進性和前瞻性。

是德科技主要的5G端到端解決方案如圖2所示。