破解從4G到5G的測(cè)試挑戰(zhàn)

馬健銳

1 5G的測(cè)試挑戰(zhàn)

4G及更早期的移動(dòng)通信制式，工作頻段都在3 GHz以下，最大單載波帶寬不超過(guò)20 MHz，業(yè)界對(duì)3 GHz以下的器件和材料有較多的研究和技術(shù)儲(chǔ)備，器件的工藝及技術(shù)性能基本上可以滿足大規(guī)模商用的需求。為了滿足5GKPI和用戶場(chǎng)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(kāi)的世界無(wú)線電通信大會(huì)（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(shí)現(xiàn)其三大應(yīng)用場(chǎng)景奠定了落地基礎(chǔ)。

在我國(guó)，工信部批復(fù)了（24.75-27.5） GHz和（37-42.5） GHz作為高頻試驗(yàn)頻段，我國(guó)當(dāng)前正在進(jìn)行的IMT2020 5G增強(qiáng)技術(shù)試驗(yàn)也已經(jīng)開(kāi)始面向預(yù)商用級(jí)別的毫米波基站、毫米波終端芯片的相關(guān)測(cè)試工作。

按照目前的行業(yè)水平，一款芯片或器件從立項(xiàng)到商用大約要5-6年時(shí)間。由于5G新頻段的引入，應(yīng)用于這些新頻段的芯片、器件的市場(chǎng)需求、技術(shù)儲(chǔ)備、工藝水平、產(chǎn)品性能、量產(chǎn)能力等方面有許多不確定性和技術(shù)瓶頸，亟待行業(yè)突破。從3GPP 5G NR關(guān)于FR2方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的完善程度可以一窺端倪。

5G高頻器件的產(chǎn)品形態(tài)相對(duì)于低頻發(fā)生了改變，器件呈現(xiàn)芯片化、集成化、小型化的趨勢(shì)，對(duì)高頻器件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造工藝、裝配和測(cè)試技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。例如毫米波天線已經(jīng)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(jīng)不能使用傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)而采用不確定度更大的OTA測(cè)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(shù)、輸出功率的相對(duì)劣勢(shì)，已經(jīng)不能一統(tǒng)江湖，業(yè)內(nèi)已經(jīng)引入砷化鎵、氮化鎵、SiGe等半導(dǎo)體制造工藝。由于5G新頻段以及Massive MIMO的引入，5G設(shè)備中會(huì)加入更多數(shù)量的濾波器。傳統(tǒng)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(cè)試需求以外，由于自身產(chǎn)品形態(tài)和工藝路線發(fā)生了改變，測(cè)試可行性的問(wèn)題也伴隨發(fā)生，測(cè)試方法需要相應(yīng)改變，測(cè)試難度和不確定度相應(yīng)增加。

2 工程師開(kāi)發(fā)時(shí)的痛點(diǎn)

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(wú)源器件、有源器件，按照端口數(shù)目，分為單端口、二端口、多端口器件等。以收發(fā)信機(jī)（圖1）為例，無(wú)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(huán)形器、隔離器、開(kāi)關(guān)、移相器等。有源器件包括：功放、低噪放、混頻器、調(diào)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(yīng)的測(cè)量方法，測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)也不盡相同，表1列出的幾種類型的測(cè)試指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)測(cè)試工具。

可以看到，產(chǎn)品和器件的研發(fā)過(guò)程中測(cè)試需求多，測(cè)試場(chǎng)景復(fù)雜，測(cè)試挑戰(zhàn)很多。以功放PA EVM測(cè)試為例，針對(duì)5G毫米波和大寬帶PA的EVM測(cè)試與傳統(tǒng)的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和大帶寬信號(hào)本身信噪比就不高，由測(cè)試儀表和測(cè)試附件所引入的殘余EVM，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果的可信度，測(cè)試工程師需要清楚了解誤差來(lái)源，調(diào)試校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)到最小的不確定度。還有一種場(chǎng)景也經(jīng)常出現(xiàn)，1個(gè)器件的測(cè)試通常會(huì)包括很多參數(shù)的測(cè)量，一般情況下需要多次插拔連接多種測(cè)試工具，測(cè)量過(guò)程繁雜且容易出錯(cuò)，經(jīng)?？梢?jiàn)被測(cè)件多次插拔后損壞的現(xiàn)象。例如載片測(cè)試，測(cè)試工程師需要盡可能1次連接完成多個(gè)測(cè)量。再舉一個(gè)常見(jiàn)的例子，例如天線等多端口器件的測(cè)試。5G天線通常是以天線陣形式存在，傳統(tǒng)單端口天線或者LTE天線需要簡(jiǎn)單測(cè)駐波、隔離、回波損耗參數(shù)等，而5G天線陣列的1個(gè)子陣就有多達(dá)幾十個(gè)天線陣子，需要測(cè)試工具能夠自動(dòng)測(cè)試高達(dá)32個(gè)天線陣子之間的耦合、隔離、駐波等參數(shù)。

3 是德的解決方案

是德科技的5G測(cè)試解決方案為客戶提供從研發(fā)、驗(yàn)證到部署的全工作流程測(cè)試工具，滿足客戶從L1物理層到L7應(yīng)用層的測(cè)試需求。是德科技5G測(cè)試解決方案，被全球移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)設(shè)備廠家、芯片廠家、手機(jī)廠家廣泛使用，加速了第一波商用5G網(wǎng)絡(luò)和5G智能手機(jī)的浪潮，是德科技的先進(jìn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)協(xié)助客戶提供品質(zhì)卓越的5G移動(dòng)通信產(chǎn)品和服務(wù)。與客戶緊密的合作，不僅加速了5G創(chuàng)新和商用，同時(shí)使是德科技的解決方案很好地保持技術(shù)的先進(jìn)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。