5G射頻前端、基站、終端的測(cè)試難點(diǎn)分析

潘建安

1 射頻前端、基站、終端的測(cè)試動(dòng)向

NI早在十幾年前就入局5G，跟實(shí)驗(yàn)室、研究所、大學(xué)等合作研究。在晶圓、射頻前端（功率放大器PA、射頻開關(guān)、天線調(diào)諧器、低噪聲放大器LNA等）、基站及終端領(lǐng)域，NI與行業(yè)領(lǐng)先廠商均有合作。

.射頻前端：5G對(duì)射頻模塊產(chǎn)業(yè)的影響將是系統(tǒng)而全面的，無論是集成度、材料、工藝、封裝都將發(fā)生變革。射頻前端芯片廠商正在逐步實(shí)現(xiàn)從Sub 6GHz到毫米波頻段的部署，隨著頻段的提升，射頻前端電路需要適應(yīng)更高的載波頻率，更寬的通信帶寬，更高更有效率和高線性度的信號(hào)輸出功率。為實(shí)現(xiàn)更低的成本、更高的性能和更小的尺寸，射頻前端的集成化和模組化是必然趨勢(shì)。

.基站：隨著5G商用化進(jìn)程的加快，5G基站端需求呈現(xiàn)井噴現(xiàn)象。在5G時(shí)代， “宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式是未來網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升的主要途徑。從4G到5G基站側(cè)天線數(shù)越來越多，基站總功率也隨之增加，5G基站廣泛使用大規(guī)模天線（Massive MIMO）和波束成形技術(shù)（Beamforming）技術(shù)，來提升終端信號(hào)接收強(qiáng)度。這對(duì)半導(dǎo)體材料提出了更高的要求，砷化鎵（ GaAs）、氮化鎵（GaN）等由于能源效率提高、功率密度更大的特點(diǎn)，是代替LDMOS的備選。

業(yè)界希望把天線陣列尺寸做得更大，尺寸越大，它在空間解析的靈活度就越大，由于天線陣列的特點(diǎn)，分散到每一個(gè)陣列上的單一天線上所必須的發(fā)射/接收的功率縮小。此外，在基站的部分也因?yàn)閷?dǎo)入毫米波之后，無論是帶寬還是后端的信息量都會(huì)變大，基帶的測(cè)試速度也要隨之提高。

射頻器件的封裝形式也發(fā)生了變化，5G時(shí)代天線將以AiP（ Antenna in Package）技術(shù)與其他零件共同整合到單一封裝內(nèi)。AiP指的是基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)無線功能的技術(shù)。AiP技術(shù)順應(yīng)了硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的趨勢(shì)，兼顧了天線性能、成本及體積，非常適應(yīng)5G時(shí)代的要求。

.終端：5G終端產(chǎn)品如手機(jī)中的天線和射頻器件的集成方式和數(shù)量均發(fā)生了變化，5G手機(jī)支持下行鏈路4x4 MIMO，上行鏈路2×2 MIMO，而4G手機(jī)大部分僅支持2×2 MIMO，總而言之，5G終端設(shè)備中射頻前端用量將翻倍，4x4 MIMO需要4根天線和4個(gè)獨(dú)立的RF通道，4x4 MIMO普及意味天線數(shù)量、PA、LNA、濾波器、射頻開關(guān)等器件用量翻倍增加。同時(shí)，終端產(chǎn)品射頻器件集成化的要求越來越高，同時(shí)也提出了低功耗和小尺寸的要求，此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求終端廠商必須縮短開發(fā)周期加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

2 測(cè)試的痛點(diǎn)及Nl的對(duì)策

1） OTA（空口）測(cè)試。由于毫米波、大規(guī)模天線技術(shù)以及新的AiP天線封裝技術(shù)的引入使得無線設(shè)備集成度提高，無法用線纜單獨(dú)對(duì)待測(cè)件進(jìn)行測(cè)試，因此必須采用OTA測(cè)試方法。OTA測(cè)試系統(tǒng)的核心部分包括測(cè)試暗室、轉(zhuǎn)臺(tái)定位設(shè)備、用于生成和分析信號(hào)的測(cè)試儀器、測(cè)量天線，以及用于測(cè)量自動(dòng)化的控制和報(bào)告軟件。由于在空氣中毫米波功耗衰減得快，測(cè)試儀表也必須能夠輸出更大的功率或者是接收更小距離的待測(cè)件通過空口打到測(cè)試儀表這邊，再收進(jìn)來測(cè)。所以儀表也必須要能夠有更好的靈敏度，才有辦法解析待測(cè)件出來的信號(hào)，在這種情況下，空口之間的校準(zhǔn)就非常重要。NI提供靈活且可擴(kuò)展的OTA測(cè)試系統(tǒng)，以幫助廠商解決如下測(cè)試難題。

.通過連續(xù)掃描3D空間，將OTA測(cè)試時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短至幾分鐘，并使用PXI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)DUT定位器與射頻生成和分析引擎的緊密同步。

.借助無噪聲的射頻消音室和經(jīng)過適當(dāng)特性分析的靜區(qū)，獲得可靠的OTA測(cè)量數(shù)據(jù)。

.借助毫米波矢量信號(hào)收發(fā)儀來驗(yàn)證AiP DUT的高帶寬波束形成性能，該收發(fā)儀支持所有3GPP信道帶寬和符合5G標(biāo)準(zhǔn)的波形。

.利用NI的毫米波OTA驗(yàn)證測(cè)試軟件，輕松配置各種空間掃描，以對(duì)DUT天線方向圖進(jìn)行特性分析，同時(shí)可快速生成、查看、存儲(chǔ)或分配詳細(xì)的參數(shù)結(jié)果。

2）大功率基站測(cè)試問題。隨著功耗的增加，單獨(dú)的儀表不能完成所有的測(cè)試，有一種方法是通過外加功放和衰減器的方式，但外掛設(shè)備太多會(huì)導(dǎo)致占地面積過大，還需要工程師花費(fèi)時(shí)間手動(dòng)校準(zhǔn)。特別是到了毫米波部分，毫米波對(duì)溫度比較敏感，細(xì)微的溫度變化對(duì)測(cè)量參數(shù)會(huì)有很大的影響。NI的解決方案會(huì)把測(cè)試頭放到了離待測(cè)件最近的地方，測(cè)試頭里面已經(jīng)做好對(duì)溫度的校準(zhǔn)補(bǔ)償，用戶不需要顧慮這些問題。

3）可擴(kuò)展的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)：從Sub 6 GHz到mmWave頻段，5G更大的帶寬讓組合測(cè)試項(xiàng)增加，繁重的測(cè)試任務(wù)需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間，省時(shí)省力省錢的自動(dòng)化測(cè)試勢(shì)在必行。NI為客戶打造的自動(dòng)化測(cè)試，能夠?qū)y(cè)試時(shí)間縮短30%-40%。而且，從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的測(cè)試可以用同樣的設(shè)備，這就避免了不同的測(cè)試設(shè)備之間測(cè)試的數(shù)據(jù)不一致的問題，驗(yàn)證兩套的數(shù)據(jù)通常需要花費(fèi)1個(gè)月的時(shí)間，使用NI的測(cè)試系統(tǒng)，用戶可以大幅度將這個(gè)時(shí)間縮短到4天-1周。另外，5G的標(biāo)準(zhǔn)在持續(xù)演進(jìn)，還有很多新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議要加入進(jìn)來。現(xiàn)在的測(cè)試設(shè)備要滿足對(duì)未來的測(cè)試需求，可擴(kuò)展的5G測(cè)試系統(tǒng)非常關(guān)鍵。

4）從Sub 6 GHz到mmWave頻段，需要“彈性”的測(cè)試系統(tǒng)。從Sub 6 GHz到mmWave頻段的信號(hào)鏈的架構(gòu)，不同廠商各有不同。如圖1所示，有些廠商的射頻前端可能就只包括到PA的部分，有些包含了上下變頻器。在測(cè)試方面，就有射頻進(jìn)中頻出，射頻進(jìn)射頻出，中頻進(jìn)中頻出等眾多可能性。因此，針對(duì)測(cè)試架構(gòu)的測(cè)試系統(tǒng)必須能夠“彈性”的配置。

毫米波設(shè)備從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的測(cè)試需要一套高度集成的測(cè)試方案。為應(yīng)對(duì)毫米波端的測(cè)試，NI推出了mmWave VST（NI毫米波矢量信號(hào)收發(fā)器），該產(chǎn)品沿襲了NI VST家族高集成度的風(fēng)格，結(jié)合了射頻信號(hào)發(fā)生器、射頻信號(hào)分析儀和集成開關(guān)，該產(chǎn)品從提高測(cè)試速度與提供量產(chǎn)級(jí)別的高性能測(cè)試系統(tǒng)兩個(gè)方面，幫助5G設(shè)備廠商加速研發(fā)。