眾所周知,目前全球采用兩種不同頻段部署5G網絡,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在系統中引入了眾多針對新應用場景進行了高度優化的技術,例如網絡切片、頻譜共享和共存、聚合帶寬高達1GHz的載波聚合、大規模MIMO和天線陣列系統、以及固定無線接入,小型基站和毫米波技術等等,這直接導致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(Switch)、低噪聲放大器(LNA)和天線調諧器(Tuner)的需求量倍增。此外,5G智能手機開發商還擔心RF器件的質量、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手機里。
以大規模MIMO(Massive MIMO)技術為例,5G終端產品中的天線數量相比于4G終端成倍增加,終端設備中天線數量可能是32個、64個,在基站中可能會達到512、1024個。之所以使用大規模天線陣列,原因在于天線的輻射方向是通過設計固定的,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來動態控制輻射方向,實現方式主要包括以下4種:
由多個天線在同一時間以同一頻率輻射而成。
輻射方向由每個天線單元波的矢量疊加
相控陣可以通過控制陣列中每個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,這也使得天線封裝技術AiP(antenna-in-package)逐漸受到重視。Yole Development的數據顯示,AiP模組于2019年開始產生銷售,預計到2025 年市場空間將達到13億美元,年均復合增長率為68%。
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再以高通最新發布的第4代高通毫米波天線模組為例,該模組支持比前代產品更高的發射功率,支持包括n259(41GHz)新頻段在內的全球所有毫米波頻段,但卻同時保持了與前代產品一樣緊湊的占板面積。
手機架構的變化
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
需要創新的測試技術來測試這項功能
芯片數量指數級增長
更高site count和throughput
另一個特別值得關注的,是毫米波技術的引入。
由于采用了毫米波頻段和正交頻分復用(OFDM)波形,再加上新興的先進傳輸方法,使得5G新無線(NR)的空中接口不但與以往幾代的移動通信完全不同,也使得毫米波芯片結構更加復雜,涵蓋基帶、DAC/ADC、IF、波束成形、不同的射頻前端、天線等多個復雜組件。數據顯示,2020年之后,5G手機上僅與毫米波相關的IC數量就達到了9-15顆,而為了支持10Gbps的數據傳輸速率,手機中還增加了貼片天線陣列。因此,對測試工程師來說,他們面對的挑戰注定非比尋常。
這意味著,為達到 0 DPPM的質量水準,測試人員不但要控制質量風險,還需要進行更多功能測試,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量或者裝配導致的故障、面對5G的豐富應用場景,提供多樣化的測試用例、以及進行特性測試用以揭示失效機制。
毫米波頻段測試的重要技術
5G毫米波手機架構由基帶芯片、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目,和典型RF收發器(transceiver)芯片類似,主要的測試項目仍然是線性度和靈敏度以及直流/DFT(BIST/Scan)等。
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在傳統的3G、4G測試中,芯片中的多個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,不但出現了大規模天線陣列,而且天線和芯片通過封裝已經合成一體,測試時無法直接接觸到模組里的每一個器件。此外,測試對象也不僅是天線,而是整個系統,由于天線和射頻器件增多,測試空間日漸狹小,使得業界開始紛紛嘗試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,所以天線測試一般又分為近場測試和遠場測試。進一步細分的話,場區又會被分為“反應區”和“輻射區”,反應區里電場和磁場的能量最強,電磁波相對較弱;遠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”。
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實驗室中毫米波的測試需要在吸波暗室中進行, 測試設備主要包括RF測試設備和吸波暗室,前者主要包括信號發生器,頻譜儀和矢量分析儀等,暗室使用CATR(緊湊場)還是DFF(直接遠場)一般根據波長來決定。此外,實驗室一般還會進行波束成型測試和溫度測試。泰瑞達旗下的LitePoint儀表可以為毫米波測試提供完整測試方案。
而如果走出實驗室,面對UE(用戶設備)的制造測試時,流程將主要包括以下三部分:
1．SMT PCBA的校準和測試;
2．毫米波模組的校準和測試;
3．最終成品的測試驗證。
但顯然,真正待測的5G設備不會只有區區幾臺,未來幾年內將有數十億臺5G設備面世,這就使蜂窩無線設備的大批量生產測試比以往更加復雜,如果不精打細算,無線測試的成本將會進一步提升。因此,5G毫米波芯片在量產中的測試策略,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遠場或近場測試,完全的功能測試,遠場的波束成型測試(驗證corner芯片的遠場性能),5G RAN的多單元和三溫測試。保證了毫米波模塊的功能指標0 DPPM。
5． 系統板上OTA測試:屬于系統級測試。需要OTA遠場測試,完全的功能測試,波束成型和多單元測試,這一環節中可以寫入校準參數。保證了毫米波模塊和天線的整體性能達標。
6． 最終成品OTA測試:也是系統級的測試。需要進行遠場測試,完全功能測試,所有載波單元的EVM測試,波束成型校準,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,寫入最終的校準參數,確保0 RMA。
其中,CP測試、OTA連通測試和最終成品OTA測試,是大規模量產中必須包含的。泰瑞達的UltraFlex 毫米波板卡和LitePoint IQgig5G在不同的測試階段可以提供相應的毫米波測試解決方案。
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泰瑞達提供的UltraWaveMX44和UltraWaveMX20板卡只需使用測試設備中的單個插槽,可以基于安裝基數很龐大的UltraWave24測試系統實現升級。進行升級時也無需調整系統配置,因此可實現利用同一個測試系統完成對4G和5G毫米波芯片的測試,從而能夠將新興毫米波應用的半導體器件更快推向市場。
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結語
5G,尤其是毫米波時代的來臨,正在改變傳統的芯片測試場景。它要求ATE機臺既要具備從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,又對上市時間、測試成本和測試指標提出了更嚴苛的標準。作為全球領先的測試廠商,泰瑞達正與生態系統合作伙伴一起,針對5G無線標準最新設備的特性分析和量產測試,打造全面解決方案。
