5G IC测试的五大挑战及详细解决思路

EETOP 2019/07/17 12:55

5G时代,使用的频率更高——毫米波频段;带宽更宽——数百兆;设备更加复杂——MIMO/多天线。高带宽5G技术的快速发展为测试和测量新设备的RF性能带来了重大挑战。为了满足市场对5G 技术的迫切需求,研究人员和工程师需要依赖于更快、更具成本效益的测试系统来应对这些挑战。

波形变得更宽且更复杂

3GPP一直以来致力于制定和发布颠覆性且极具挑战性的5G规范。3GPP 5G新空口规范包括两种已获得批准的正交频分多路复用技术(OFDM)、各种调制和代码集、灵活的参数配置(numerology)和多个信道宽带。除了这些参数外,5G波形还包括用于信道估计、优化MIMO操作和振荡器相位噪声补偿的参考信号。5G波形引入了自包含(self-contained)集成子帧设计,同一个子帧内包含了上行链路/下行链路的调度信息、数据传输和确认。

5G基站以及其他基础设施设备,简称gNode B (gNB),在下行链路中使用循环前缀OFDM(CP-OFDM)方案,而用户设备(UE)两种方案都支持,即CP-OFDM和离散傅里叶变换扩频OFDM(DFT-S-OFDM)方案,具体取决于gNB指示UE使用这两种方案中的哪一种方案来进行上行操作。DFT-S-OFDM具有较低的峰均功率比(PAPR),因此有助于提高功率放大器的效率和能效。此外,考虑到信号在毫米波和低于10GHz频率下有着不同传播和反射行为,5G标准规定了在两种不同基本频段的操作。在许多情况下,整个RF规范的要求会因两种不同频率范围而有所不同。低频范围内(FR1)的信号可以使用频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种模式,带宽高达100MHz,载波聚合频率高达400MHz。而FR2信号的频率最高可达52.6GHz ,仅可在TDD模式下运行,并且单信道带宽高达400MHz。FR2信号还可以将多个载波组合在一起,以实现高达800MHz的聚合带宽。不久之后,规范可能会将这一聚合带宽提高至超过1GHz。

解决思路: 所有这些因素都给研究人员和工程师研究对应的新波形带来了更大难度。 他们在创建、发布和生成符合标准上行链路和下行链路信号方面面临着新的挑战,因为这些信号相比以往具有更多配置、选项和更宽的带宽。 选择符合5G标准的工具,生成和分析所需的波形,并在不同测试台之间共享这些波形,以充分分析DUT的特征。

仪器必须是宽带且线性的,而且必须能够经济高效地覆盖广泛的频率范围

为了实现5G增强型移动宽带某些极具挑战性的关键性能指标,即超出20Gb/s的下行峰值速率以及10,000倍以上的流量,5G标准规定了两个基本频率范围内不同信道带宽下的宽带场景。这旨在复用400MHz左右至7.125 GHz(FR1)和24 GHz至52.6 GHz (毫米波FR2)范围内的许多现有频段及一些未获得许可的新蜂窝频段。

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图1 5G新空口的频率范围

尽管在航空航天和军事等行业,RF工程师一直在努力开发专用的毫米波测试系统,这些系统往往造价不菲,但对于面向大众市场的移动行业来说,目前尚未有合适的毫米波测试系统。由于各种新设备的不断出现及未知的未来需求,开发更有效的验证平台对测试工程师而言是一项挑战。传统的5G设备(包括最新的毫米波组件)测试方法需要工程师使用一系列昂贵的大型台式仪器进行手动测试。工程师很难集成、扩展或优化其仪器来实现自动化设备验证。工程师亟需经济高效的测试设备来针对新设备类型配置大量测试平台,这些测试设备应具备以下特点:高度线性化;在极大的带宽范围中,具有紧密的幅度和相位精度;低相位噪音;广泛的频率覆盖范围,适用于多频段设备;能够利用其它无线标准测试是否共存。为了适应快速变化的测试要求,他们需要基于软件的模块化测试和测量平台来覆盖较宽的频率范围。

解决思路: 投资到能够评估现有和新频带性能的宽带测试平台。 选择不仅能够与当前标准共存,还能随着适应未来变化的仪器。

组件特性分析和验证需要更大量测试

5G的初始部署可能采用非独立组网模式(NSA),在这种模式下UE仍需要依赖LTE网络进行链路控制,并使用5G连接作为高带宽数据传输通道。因此,工程师需要验证5G新空口(NR)与带内和邻带LTE的共存性。5G系统将采用带宽分块(bandwidth parts)机制来实现5G和LTE信号的载波共享, 因而工程师需要使用间隔非常小的信号来验证其设备的性能。

未来的NR规范将纳入未授权频谱的辅助授权接入(LAA)技术,作为聚合辅助信道。这意味着工程师必须测试其设备对特定未授权频段的影响情况,以确保两者之间的共存。

同样地,当UE包含符合各种标准的多个无线电收发器时,工程师必须进一步关注带内和带外信号的滤波和抗扰设计,以确保设备内不同标准的共存。某个标准的谐波、非线性频谱增生以及各种杂散会影响5G NR设备的灵敏度。

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2 WLAN带外泄露导致的5G NR减敏现象

工程师在开发发射/接收系统时必须考虑的另一项重要因素是TX和RX路径之间的互易性。例如,当系统驱动发射功率放大器(PA)完全进入压缩区时,该PA引入的幅移和相移(AM-AM和AM-PM 相应 )以及其他热效将超过接收器路径中低噪声放大器(LNA)所引入的这些效应。另外,移相器、可变衰减器和增益控制放大器以及其他器件的容差可能导致信道之间的相移不均匀,从而影响系统的预期相位相干性。

因此对前端模块(PA和LNA)、双工器、混频器和滤波器等RF通信组件进行特性分析将面临着一系列新的测量挑战。为了在较大带宽下实现更高的能效和线性度, 5G PA引入了数字预失真(DPD) 等线性化技术。AM-AM和AM-PM图有助于一定程度上了解PA的行为,但是设计人员还需要考虑到宽带5G信号具有非常明显的记忆效应。由于电路模型难以预测记忆效应,因此降低记忆效应唯一有效方法是测试PA并在时域信号通过DUT后采集该信号,并应用DPD技术。现有的DPD技术要求测试设备生成并测量3到5倍带宽的信号。这对于需要对带宽为100、200和400 MHz的5G信号进行预失真的测试设备来说是一个很大的挑战。

随着市场需求的变化和行业的发展,对多频段前端模块(front-end module,FEM)和PAMiD(power amplifier modules with integrated duplexer,带集成双工器的功率放大器模块)进行特性分析和测试也日益困难。这些器件需要能够快速切换的多信道测试台,以测试不同路径和频段组合的性能,有时可能需要并行测量不同的组合。此外,典型的测试还需要在不同的电压电平;不同的载荷条件;有或无DPD情况下的输出功率电平、线性度和调制精度;不同的频段组合以及不同的温度下进行全面测试。

许多多频段设备必须支持E-UTRAN New Radio Dual Connectivity(EN-DC)技术,即4G和5G标准双连接技术。因此,需要覆盖的测试用例也不断增加,包括单载波和载波聚合信号的多种组合。此外,这些用例不仅需要在低于6GHz的频段下进行测试,现在也需要在7GHz左右的频段下进行测试,以考虑工作于非授权频谱的5G NR(NR-U)。由于这些设备具有更高的集成度和组件密度, 因此分析LTE和NR信号传输时的热管理和散热就变得非常重要。

解决思路: 确保您的测试系统能够处理多频带和多通道5G设备,以满足波束成形器、FEM和收发器的需求。 处理6 GHz以下的宽信号以及毫米波频率的信号需要分析和验证RF通信组件的性能。 工程师不仅要测试创新的多频带功率放大器、低噪音放大器、双工器、混频器和滤波器设计,还要确保经过改进的新型RF信号链能够支持同时操作4G和5G技术。 此外,为了避免传播时出现大量损耗,毫米波5G测试系统还需要波束形成子系统和天线阵列,这就需要快速可靠的多端口测试解决方案。

大规模MIMO和波束形成系统的无线测试使得传统测量对空间的依赖性非常高

在大规模的MIMO系统中,基站天线的数量远超用户终端的数量。 因此,5G标准纳入了多用户MIMO(MU-MIMO) 技术,其中基站向有源天线系统馈送预编码信号,然后在空间上将多路同步数据流发送给多个用户,用户端的每个接收器均可选择其所需的数据流。 为了实现该空间多路复用,gNB需要将辐射能量通过波束成形技术集中至各个接收器。 基于波束成形技术,工程师可以实现MU-MIMO,以提高gNB容量并减少发射过程中的能量消耗。 在毫米波频率下,通过动态波束成形方法将辐射波束集中到UE方向可提高链路预算。 波束成形的另一个好处是它可以创建波束零点并控制其方向来抑制同信道干扰,从而确保高吞吐量。

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图3 通过波束成形实现空间复用

随着5G商业化的逐步实现,基础设施和用户设备组件的集成程度不断增加,外形更加小巧。尽管部分组件将继续采用易用的同轴连接器,在实验室中对每条RF路径进行特性分析和验证,但由于管理和测试数十甚至数百个连接会增加复杂性和成本,占用较大的物理空间以及引入更高的插入损耗,许多波束成形系统可能会放弃使用天线连接器。目前的趋势是使用片上天线(AoC)和封装天线(AiP)设备来实现毫米波频率下的波束成形,但这种设备没有可用的RF测试端口,迫使业界亟需寻找可以使用OTA辐射测试方法来进行设备特性分析的测试系统。

随着工程师从传统的RF半导体传导测试转向OTA测试方法,他们面临的挑战是建立动态OTA测试系统来准确测试RF性能。因此,工程师将DUT放置在电波暗室内受控的RF环境中,与测量系统呈一定距离和角度,进行OTA特性分析和验证测试。

解决思路: OTA测试技术能够在快速精准地控制运动的同时进行RF测量,让您可以在预期的时间内准确地分析5G波束形成系统的特征。 工程师在测试5G波束形成设备时,面临着分析发射和接收路径以及优化接收和发射天线互易性的挑战。 比如,发射功率放大器进入压缩区时,会产生幅值和相位失真及其他热效应,而接收路径的LNA并不会产生这些现象。 此外,移相器、可变衰减器、增益控制放大器和其它器件的容差可能导致通道间的相移不相同,以致影响预期的指向性图。 测量这些效应需要采用空口(OTA)测试技术,这使得TxP、EVM、ACLR和灵敏性等传统测量对空间的依赖性非常高。

批量生产测试需要测试系统能够快速、高效地进行扩展

无论是实验室还是生产车间,5G新空口设备的宽前端模块、PA和其他RFIC在进行特性分析和验证时始终面临着一些挑战。 对于工程师来说,测试FR1和FR2中的高带宽信号、覆盖更多频段以及对无法连接RF连接器的波束成形设备进行测试,都是更艰难的挑战。 5G的商业化要求缩短每个DUT 的测试时间(只需几秒钟 ) ,提高产量以及降低资本和运营费用。 工程师正在寻找实用的方法来部署低成本、高效率且高吞吐量的5G生产设备测试系统。

尽管OTA测试设备的需求已存在数十年,主要是在相控阵雷达等国防应用中,但许多工程师仍然对使用大型电波暗室来满足更高产量目标的传统测试方法的可行性存在质疑。 每当谈及OTA测试解决方案,就不会不提到RF暗室,RF暗室已然成为OTA测试解决方案的必要组件。 对于设计分析、验证、合规性和一致性测试,适当的RF暗室可提供安静的RF环境,确保设计满足所有性能和法规要求,并具有足够的裕量和可重复性。 然而,对于批量生产来说,传统的微波暗室会占用大量的生产空间,并增加资本支出。

为了解决这些问题,市场上出现了具有 OTA 功能的 IC 测试插座(带有集成天线的小型RF外壳), 从而将半导体 OTA 测试功能小型化。尽管测量天线距离 DUT IC 只有几厘米,但是对于每个天线元件的远场测量来说,这个距离已经足够。相对较小尺寸的测试插座还有助于多站点并行测试增加测试吞吐量,同时最大限度地降低信号的功率损耗。不过,小型测试插座存在反射问题,反射会妨碍整个天线阵列的波束成形测量,这种测量的远场距离一般是 10 厘米甚至更远。因此,工程师需要特定的DUT测试模式,使其能够单独访问每个元件,并能够创建可列表的测试序列,以便减少软件与DUT和测试仪器的交互作用,从而提高测试执行速度。

即使采用小型RF外壳,工程师也面临着OTA链路预算有限而带来的测试挑战。例如,在28 GHz 时,DUT和天线之间仅仅10 cm的距离也会导致自由空间路径损耗超过30 dB(包括发射和接收天线的增益),而如果使用同等长度的同轴电缆,损耗仅为1 dB左右。对于接收机IP3测量,OTA方法要求测试仪器在发射天线处生成高出30 dB的输出功率,才能在DUT处获得同等水平的接收功率。这对于基于RF暗室的OTA配置来说可能是一个挑战,而对于位于1.5厘米远的OTA插座式解决方案而言,所需的传输功率要低得多。

另一种OTA测试方法是生产测试系统采用更长的RF机箱。DUT会使用整个天线阵列,启用波束成形功能,而不是单独使用每个天线单元,并在关键波束成形方向上寻找聚合RF性能。这里的测试挑战在于识别芯片和封装基板之间的连接是否断开或很弱,同时还要测量封装内天线的质量。在初始生产阶段,供应商可以运行完整的参数OTA测试,然后在批量生产时切换到一部分测试。

新的测试平台还必须能够应对目前5G设备对测试需求所提出的挑战,并能够扩展覆盖范围,以便支持未来功能更强大的设计。例如,尽管众多制造商仍在继续研究如何充分测试24至52GHz频段内的设备,但研究人员也在探索WLAN IEEE 802.11所定义的57至66GHz频段内的协议共存,以期不断突破频率和互操作性的局限性。

解决思路: 选择一个可将实验用5G仪器扩展到生产现场的ATE平台,简化特性分析和生产测试之间的数据关联。 新型5G应用和垂直行业的需求不断增长,使得制造商每年需要生产的5G组件和设备呈指数级增加。 制造商面临的挑战在于需要提供快捷的方法来校准新设备的多个RF路径和天线配置,并提高OTA解决方案的测试速度,以确保制造测试结果的可靠性和可重复性。 但是,对于RFIC的批量生产,传统的RF暗室会占用大部分的生产厂房空间,使厂房无法放置其他流程所需的设备,导致材料处理流程中断,这会大幅增加资本支出。 为了解决这些问题,市面上已推出支持OTA的IC插座(具有集成天线的小型RF外壳),这些产品大幅减少了半导体OTA测试所需的占地空间。

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