5G無源器件檢測(cè)中的質(zhì)量控制

金 凱

中通維易科技服務(wù)有限公司

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，智慧家庭、智能工廠、AR、VR等超過70%的5G應(yīng)用發(fā)生于室內(nèi)場(chǎng)景，因此室內(nèi)覆蓋極其重要。傳統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋采用無源室內(nèi)分布系統(tǒng)方案，國內(nèi)現(xiàn)有室分系統(tǒng)存量在50萬套以上，對(duì)傳統(tǒng)室分系統(tǒng)進(jìn)行5G化改造，必然是運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)階段最佳的選擇。雖然早在3G、4G時(shí)代，射頻無源器件作為室內(nèi)分布系統(tǒng)的一部分，已經(jīng)是技術(shù)成熟、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品了，然而3G、4G時(shí)代無源器件的頻率集中在3GHz以下，目前三大運(yùn)營(yíng)商的5G商用頻段在3.3-3.7GHz和4.8-4.9GHz，更高的頻率會(huì)有更高的損耗，對(duì)5G無源器件的設(shè)計(jì)和制造提出了更高要求，也對(duì)通信產(chǎn)品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品檢測(cè)和質(zhì)量控制有更多的考量。

1 檢測(cè)過程的實(shí)施

1.1 檢測(cè)過程

5G無源器件的檢測(cè)過程與原有的3G、4G無源器件檢測(cè)并沒有本質(zhì)上的不同。（1）閱讀任務(wù)委托書，明確檢測(cè)任務(wù)需求，逐條確認(rèn)測(cè)試項(xiàng)目，以及相應(yīng)的技術(shù)要求和檢測(cè)方法；（2）確認(rèn)樣品型號(hào)規(guī)格、樣品狀態(tài)，必須與委托書一致，并且符合測(cè)試要求才能接收；（3）安排任務(wù)給相應(yīng)科室，最終分配到通過考核并獲得相應(yīng)授權(quán)的檢驗(yàn)員；（4）檢驗(yàn)員按照檢驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行檢驗(yàn)檢測(cè)任務(wù)，包括選用符合測(cè)試需求的儀器儀表、測(cè)試附件、按照相應(yīng)的操作規(guī)程操作儀器儀表、填寫原始記錄等；（5）原始記錄數(shù)據(jù)匯總，并按技術(shù)要求判定，如有不合格或異常數(shù)據(jù)，則進(jìn)行復(fù)檢復(fù)測(cè)流程；（6）數(shù)據(jù)上報(bào)，如有需要出具報(bào)告，退樣。

檢測(cè)流程并不復(fù)雜，重要的是保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。實(shí)驗(yàn)室采用質(zhì)量控制手段，消除系統(tǒng)誤差，將隨機(jī)誤差控制在允許的限度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試過程的自我控制。

1.2 實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制

實(shí)驗(yàn)室通常通過對(duì)檢測(cè)過程中所涉及的檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)方法、檢測(cè)環(huán)境、人員操作技能等作控制，來保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)、公正。實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制一般采用以下方法：

（1）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)室定期或不定期地將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以相同的流程和方法進(jìn)行檢測(cè)，與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書比對(duì)，驗(yàn)證檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此種方法可靠性高，能夠綜合驗(yàn)證整個(gè)檢測(cè)流程，保證日常檢測(cè)結(jié)果的可靠性。然而，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的成本也比較高，很難作為一個(gè)日常的質(zhì)量監(jiān)控手段。

（2）人員比對(duì)。實(shí)驗(yàn)室安排不同的檢驗(yàn)員，在一個(gè)較短的合理的時(shí)間段內(nèi)，對(duì)同一樣品，使用同一方法，在同一檢測(cè)儀器儀表上進(jìn)行檢測(cè)，比較檢測(cè)結(jié)果的符合程度。通過檢測(cè)結(jié)果的符合程度，判定檢測(cè)人員操作能力的可比性和穩(wěn)定性，有助于監(jiān)督在崗檢驗(yàn)員保持和提升檢測(cè)技術(shù)能力。

（3）方法比對(duì)。實(shí)驗(yàn)室安排同一檢驗(yàn)員對(duì)同一樣品采用不同的檢驗(yàn)檢測(cè)方法，比較檢測(cè)結(jié)果的符合程度，判定其可比性，驗(yàn)證檢驗(yàn)檢測(cè)方法的可靠性。

（4）儀器比對(duì)。實(shí)驗(yàn)室安排同一檢驗(yàn)員使用不同的檢測(cè)儀器儀表，對(duì)同一樣品使用相同檢驗(yàn)檢測(cè)方法，比較檢測(cè)結(jié)果的符合程度，判定檢測(cè)儀器儀表性能的可比性。儀器比對(duì)考核對(duì)象為檢測(cè)儀器儀表，評(píng)價(jià)不同檢測(cè)儀器儀表的性能差異，如靈敏度、精度等。儀器比對(duì)的前提是比對(duì)中作為參考的檢測(cè)儀器儀表值得信賴，故而實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀器儀表通常定期由具有資質(zhì)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)（或檢定），并在兩次校準(zhǔn)（或檢定）之間的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行定期和不定期的期間核查，以此來保持檢測(cè)儀器儀表校準(zhǔn)狀態(tài)的可信度。

（5）留樣再測(cè)。實(shí)驗(yàn)室安排在不同的時(shí)間，再次對(duì)同一樣品以相同的條件進(jìn)行檢測(cè)，通過比較歷史測(cè)定結(jié)果的一致性來判斷檢測(cè)過程是否存在問題，驗(yàn)證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。若檢測(cè)結(jié)果符合要求，說明實(shí)驗(yàn)室該項(xiàng)目的檢測(cè)能力持續(xù)有效，不符合則應(yīng)分析原因，采用其它手段進(jìn)行檢測(cè)能力的確認(rèn)，并采取糾正措施，追溯前期的檢測(cè)結(jié)果，直至上次確認(rèn)檢測(cè)能力有效的時(shí)間。留樣再測(cè)的前提是，應(yīng)有充分的數(shù)據(jù)顯示或經(jīng)專家評(píng)估，表明留存的樣品賦值穩(wěn)定。留樣再測(cè)是一種常用的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部質(zhì)量控制手段，有利于監(jiān)控該項(xiàng)目檢測(cè)結(jié)果的持續(xù)穩(wěn)定性及觀察其發(fā)展趨勢(shì)，也可促使檢驗(yàn)人員認(rèn)真對(duì)待每一次檢驗(yàn)工作。

（6）重復(fù)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室安排在重復(fù)性條件下進(jìn)行多次測(cè)試。重復(fù)性條件指同一檢測(cè)人員，使用相同的檢測(cè)儀器儀表，按相同的檢驗(yàn)檢測(cè)方法，短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一待測(cè)樣品獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試的條件。重復(fù)測(cè)試廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品制樣均勻性、檢測(cè)儀器儀表的穩(wěn)定性、測(cè)試方法的精密度、檢驗(yàn)員技術(shù)水平等的評(píng)價(jià)。

除了以上常用的基于人、機(jī)、料、法、環(huán)的日常質(zhì)量控制方法，還可以從對(duì)檢測(cè)原始記錄的數(shù)據(jù)分析來發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題的端倪，以應(yīng)對(duì)一些偶發(fā)性的質(zhì)量問題。這些偶發(fā)性的質(zhì)量問題，都是一些難以避免，出現(xiàn)時(shí)間不可預(yù)知，不易察覺的質(zhì)量問題。如檢測(cè)人員的誤操作，測(cè)試5G無源器件時(shí)使用了原來測(cè)3G、4G無源器件時(shí)的測(cè)試附件等。原有的線纜和負(fù)載使用頻率都是在3GHz以下，在3.3-3.7GHz和4.8-4.9GHz測(cè)試中誤用帶來的影響不可控，有可能不影響判定，也有可能會(huì)造成誤判，而且從最終匯總結(jié)果中很難發(fā)現(xiàn)問題。如檢測(cè)儀器儀表由于材料的不穩(wěn)定性、元器件的老化、使用中的磨損、使用或保存環(huán)境的變化、搬動(dòng)或運(yùn)輸?shù)仍?，都有可能引起設(shè)備性能的變化。性能變化的趨勢(shì)可能是單方向的，也可能是起伏變化的，甚至可能有偶發(fā)性的完全無規(guī)律的變化。一些經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)員能夠識(shí)別這些質(zhì)量問題引起的數(shù)據(jù)異常，而實(shí)驗(yàn)室完全可以利用檢驗(yàn)員的經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)原始記錄數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，更科學(xué)高效地識(shí)別異常值，作為日常質(zhì)量工作的預(yù)警和重要補(bǔ)充。

2 檢測(cè)結(jié)果中異常值的識(shí)別

插入損耗是無源器件的關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目，高的插入損耗會(huì)劣化信號(hào)質(zhì)量，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量和覆蓋范圍。在傳輸射頻信號(hào)時(shí)，由于趨膚效應(yīng)的存在，導(dǎo)體損耗會(huì)隨著頻率的升高而增加。插入損耗是接頭損耗、導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗的總和，故5G無源器件會(huì)比3G、4G同類產(chǎn)品更關(guān)注插入損耗指標(biāo)。本研究以5G合路器插入損耗測(cè)試結(jié)果為例，進(jìn)行分析討論。

2.1 取典型值

典型值通常認(rèn)為是產(chǎn)品中最少有80%的產(chǎn)品能夠達(dá)到的性能數(shù)值。5G合路器的插入損耗測(cè)試結(jié)果合集，同樣存在按此方法取得一個(gè)典型值A(chǔ)0。取一批檢測(cè)結(jié)果可靠的5G合路器，整理其插入損耗測(cè)試原始記錄的數(shù)據(jù)，按80%的比例取得典型值A(chǔ)。A是A0的一個(gè)近似估計(jì)。若后續(xù)測(cè)得的插入損耗值劣于A，則將其視為異常值，啟動(dòng)一系列質(zhì)量控制手段。

現(xiàn)有一批5G合路器，一共90組插入損耗數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 90組5G合路器插入損耗原始數(shù)據(jù)

計(jì)算得A=0.49，讀數(shù)大于0.49即視為異常值。這種方法優(yōu)點(diǎn)很明顯，實(shí)現(xiàn)難度低，且數(shù)據(jù)量越大，典型值A(chǔ)越接近A0，也越可靠。缺點(diǎn)也顯而易見，這種方法對(duì)質(zhì)量問題引起的插入損耗值劣化嚴(yán)重的情況有效果，對(duì)插入損耗值優(yōu)化的情況毫無辦法。

2.2 查找數(shù)據(jù)集中的邊界

為應(yīng)對(duì)數(shù)值優(yōu)化的問題，對(duì)典型值法做改進(jìn)，取最小值B1、最大值B2，使B1至B2的數(shù)值包含80%的樣品，且B2與B1的差值最小，如此便能取得數(shù)值最集中的80%。若后續(xù)測(cè)得的插入損耗值優(yōu)于B1，或劣于B2，則視為異常值，啟動(dòng)質(zhì)量監(jiān)控手段。

同樣以表1的數(shù)據(jù)為例，計(jì)算得B1=0.43，B2=0.49，小于0.43或大于0.49的值都視為異常值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)也很明顯，實(shí)現(xiàn)難度不高，同樣是數(shù)據(jù)量越大，B1、B2兩個(gè)邊界值越可靠，能很好地識(shí)別過大或過小的異常值。這種方法同樣也有其缺點(diǎn)：首先，80%這個(gè)比例并不一定適用于實(shí)際檢測(cè)質(zhì)量控制，在使用過程中宜按實(shí)際使用效果調(diào)整；其次，按80%比例檢出異常值的頻率將會(huì)很高，會(huì)增加較多工作量。

2.3 用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法查找異常值

在統(tǒng)計(jì)學(xué)概念中，異常值（abnormal value），又稱離群值（outlier），指一組數(shù)據(jù)中，與其他值偏離較遠(yuǎn)且不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的個(gè)別值。將表1數(shù)據(jù)的分布情況作圖，如圖1所示。

圖1 90組插入損耗數(shù)據(jù)分布圖

由圖1可知，5G合路器插入損耗數(shù)據(jù)分布近似正態(tài)分布。假設(shè)這一組數(shù)據(jù)分布服從正態(tài)分布，且只含有隨機(jī)誤差，按照拉依達(dá)準(zhǔn)則，計(jì)算其均值μ和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，大約68.27%的數(shù)據(jù)值會(huì)在（μ-σ，μ+σ）范圍內(nèi)，大約95.45%會(huì)在（μ-2σ，μ+2σ）范圍內(nèi)，大約99.73%會(huì)在（μ-3σ，μ+3σ）范圍內(nèi)。在統(tǒng)計(jì)學(xué)概念中，超出（μ-3σ，μ+3σ）這個(gè)范圍的，視為含有粗大誤差，為異常值。

貝塞爾公式的原理是以樣本來估計(jì)所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，本文以這90組插入損耗數(shù)據(jù)形成的樣本來評(píng)估整個(gè)5G合路器插入損耗測(cè)試工作的統(tǒng)計(jì)特性。按貝塞爾公式計(jì)算得均值μ=0.4579，σ=0.0242。邊界范圍的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 拉依達(dá)準(zhǔn)值邊界計(jì)算結(jié)果

邊界 數(shù)值μ-2σ 0.4095 μ+2σ 0.5063 μ-3σ 0.3853 μ+3σ 0.5305

這種方法可有效識(shí)別異常值。在實(shí)踐中，超出（μ-2σ，μ+2σ）范圍的可視為異常值，需引起重視；超出（μ-3σ，μ+3σ）范圍的視為高度異常值，必須采用其它質(zhì)量控制手段進(jìn)行處理。

3 數(shù)據(jù)分析方法補(bǔ)充思考

上述數(shù)據(jù)分析方法可以識(shí)別離群的異常值，但是如果質(zhì)量問題引起的數(shù)值偏差并沒有使數(shù)值超出規(guī)定的邊界范圍呢？如果質(zhì)量問題引起的數(shù)值變化趨勢(shì)是單方向，相信會(huì)影響一個(gè)批次數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性。假設(shè)對(duì)表1數(shù)據(jù)中最后30個(gè)數(shù)據(jù)再次檢測(cè)的過程中，引入了一個(gè)0.05dB的附加損耗，則數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)表

重新計(jì)算90個(gè)數(shù)據(jù)得μ1=0.4746和σ1=0.0331，計(jì)算30個(gè)引入附加損耗的數(shù)據(jù)得μ2=0.5063和σ2=0.0244，邊界范圍的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 引入附加損耗后邊界計(jì)算結(jié)果

以表1的90個(gè)數(shù)據(jù)為樣本1，最后30個(gè)數(shù)據(jù)引入附加損耗后的90個(gè)數(shù)據(jù)為樣本2，引入附加損耗的30個(gè)數(shù)據(jù)為樣本3，其邊界如圖2所示。

圖2 三組樣本邊界對(duì)比

比較樣本1和樣本2可知，樣本中的部分?jǐn)?shù)據(jù)引入變化趨勢(shì)為單向的誤差，會(huì)使樣本的離散程度變大，測(cè)試穩(wěn)定性變差。比較樣本1和樣本3，樣本整體引入變化趨勢(shì)為單向的誤差，離散程度不會(huì)變化，而樣本邊界會(huì)整體移動(dòng)數(shù)值變化，說明邊界范圍有明顯擴(kuò)大，或μ有明顯變化，σ變大，離散程度變高，測(cè)試穩(wěn)定性變差。

在5G合路器檢測(cè)任務(wù)進(jìn)行的過程中，將每個(gè)批次的數(shù)據(jù)按同樣方法進(jìn)行分析，得到μ和σ的值，對(duì)其進(jìn)行比較，可分析出無源器件質(zhì)量趨勢(shì)，對(duì)其質(zhì)量做出更為客觀、更為具體的評(píng)價(jià)，有助于運(yùn)營(yíng)商保證5G建設(shè)質(zhì)量，緩解后期運(yùn)維壓力。

4 結(jié)束語

隨著LIMS實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)的應(yīng)用，可對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行更多維度的統(tǒng)計(jì)和分析，繪制出不同供應(yīng)商、不同產(chǎn)品的“畫像”，未來實(shí)驗(yàn)室將能對(duì)質(zhì)量控制做出更大的貢獻(xiàn)。檢測(cè)工作是5G建設(shè)的重要保障，實(shí)驗(yàn)室在做好5G通信產(chǎn)品檢測(cè)工作的同時(shí)，也應(yīng)提升自身的檢測(cè)能力、質(zhì)量控制水平和數(shù)據(jù)分析能力，研究5G通信產(chǎn)品的質(zhì)量水平和發(fā)展趨勢(shì)，反哺生產(chǎn)和建設(shè)單位，在5G建設(shè)中發(fā)揮更重要的作用。