5G毫米波空口测试挑战与解决方法

shuszhao

Sub-6GHz频段可以沿用4G时期的一些技术，与之相关的射频器件产业链也相对成熟，但由于该频段资源有限，业界将目光投向了资源相对丰富的毫米波频段。毫米波频段的优势是具备大量的可用频谱带宽、波束窄、方向性好等，但这也将给未来5G终端及基站的测试带来诸多挑战。本文将从测试角度探讨毫米波芯片带来的挑战及解决方法。

据市场调研公司IHS预测，2020年5G智能手机全球出货量有望超过2亿部，5G手机的出现无疑给增长疲软的智能手机市场注入了一剂强心剂。2019年是5G商用启航之年，加快5G应用部署，已成为业界共同努力的目标。工信部近日也印发了《关于印发“5G+工业互联网”512工程推进方案的通知》，明确到2022年，将突破一批面向工业互联网特定需求的5G关键技术，“5G+工业互联网”的产业支撑能力显著提升，加快垂直领域“5G+工业互联网”的先导应用等一系列5G商用的重要举措。
5G的广阔前景需要大规模天线（Massive MIMO）、波束成形(beamforming)等技术的支持，这也使得测试更加复杂化，尤其是现在Sub-6GHz频段与毫米波频段齐头并进，必须开发新的测试设备才能跟上5G商用的快节奏。对于5G测试而言，频率的增加、天线数量增加，以及新的封装技术，将OTA（Over The Air，空口）测试方法推向了舞台。

从Sub-6GHz到毫米波频段的过渡


从技术层面来讲，目前全球采用两种不同频段部署5G网络，即3GPP划分的FR1频段和FR2频段，其中FR1频段范围为450MHz-6GHz，被称为Sub-6GHz频段，FR2频段范围为24.25GHz-52.6GHz，被称为毫米波频段。Sub-6GHz目前已经实现商用，毫米波段（mmWave）还有很多待开发的空间，被业界成为畅想5G时代的关键。

Sub-6GHz频段可以沿用4G时期的一些技术，与之相关的射频器件产业链也相对成熟，但由于该频段资源有限，业界将目光投向了资源相对丰富的毫米波频段。毫米波频段的优势是具备大量的可用频谱带宽、波束窄、方向性好等，但这也将给未来5G终端及基站的测试带来诸多挑战。

                               
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图1：5G两大常用频段：Sub-6GHz和毫米波频段

OTA是毫米波频段测试的重要技术


毫米波芯片结构更加复杂，涵盖基带、DAC/ADC、IF、beamformer、不同的前端射频以及天线。在2019年11月14~15日举行的NI（National Instruments）年度用户大会NIDays Asia的半导体测试分论坛上，NI全球半导体测试市场开发总监章晨从测试角度介绍了毫米波芯片带来的挑战：“毫米波芯片的架构中涉及到了多种待测物里面的节点，以往在这些待测点都是用RF传导的方式通过电缆的直连进行测试。但是现在有很多毫米波模组是把天线整体封装在一起，测试时无法直接接触到模组里的每一个器件，这就需要用OTA测试。”

                               
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图2：mmWave 5G无线电架构

                               
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图3：新5G架构组件的可能测试插入点
随着MIMO技术在5G中的应用，5G终端产品中的天线数量相比于4G终端成倍增加，终端设备中天线数量可能是32个、64个，在基站中可能会达到512、1024个。天线封装技术AiP（antenna-in-package）逐渐受到重视，AiP是基于封装材料与工艺，将天线与芯片集成在封装内，实现系统级无线功能的技术。AiP兼顾了天线性能、成本及体积，是近年来天线技术升级的重要方向。
在毫米波频段，传统的RF传导测试即直接用射频线缆将待测件的输出接口与测试仪表接口连接开展RF测试不再适用，业界纷纷尝试OTA测试，OTA测试的推行主要有以下几个原因：
●被测系统的复杂性：在毫米波频段，大规模天线被广泛使用；
●测试空间的局限性：毫米波设备由于天线和射频器件的增多，如果用RF传导测试，线缆连接的数量增多、复杂性提高，且天线模块的整体尺寸在毫米波频段下也很小，无法容纳所有电缆连接器；
●成本问题：在以前的RF传导测试中，可以使用低成本的SMA连接器和电缆。但是毫米波频段需要使用特殊的连接器和电缆，导致成本的增加。
●测量的物理性质：某些参数的测量，如检测天线阵列形成的波束方向，则必须依赖OTA测量。
OTA可以模拟产品的无线信号在空气中的传输场景，还可以将产品内部辐射干扰、产品结构、天线的因素、射频芯片收发算法、甚至人体影响等因素都考虑进去，是一种在自由空间验证无线产品空口性能的综合性测试方法，非常接近产品实际使用场景。
此外，在2017年12月冻结的3GPP 5G新空口协议中已经写入了关于5G基站的所有射频性能指标的OTA测试规范，这意味着5G基站天线一体化OTA测试将会成为5G基站硬件性能测试的主要方案。
天线的OTA测试一般有近场区和远场区两种测试方式，天线辐射近场、远场的分界为：源天线发射的球面波前到达被测天线中心和边缘的波程差为λ/16。换算为距离上的判断依据为 R=2D2/λ，其中，R为探测点与被测天线的距离，D 为被测天线的口径，λ为被测天线所发射电磁波波长。
而不同的测试方案会导致测试结果的差异，远场测试是最直接的测试方式。以28 GHz为例，如下图所示为一个2×2的四根天线，对应的距离是47厘米，就是半米左右的距离以上，这是作为远场。”

                               
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图4：OTA远场测试
因为测试是在整个空间内进行的，测试的时候涉及到转待测物或转天线的问题。所以NI采取了直转待测物的方式，因为待测物相对来说比较小，待测物下面有两轴的机械臂，通过这个机械臂两轴旋转，我们可以直接在一个半圆的网格里面，测试到所需要的不同角度。

                               
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图5：在OTA测试中采取旋转待测物的方法
OTA测试的精度受到多种因素的影响，如暗室的大小和测试的角度。判断OTA测试的标准除了精度，还有不确定性。增加网格上测试点的数量可以减少测量不确定性，但是会增加测试时间。使用更少的点可以加快测试速度，但是测量误差会增加。举一个例子，测试点数从200增加到6000，精度有显著提高，但测试时间从15分钟延长到7.5小时。按照终端对5G商用的速度要求，必须尽量减少产品从实验室到面世的时间。

                               
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图6：由于测试点数的增加，测试时间变长

OTA验证测试参考架构，提高测试效率


OTA测试应该全面考虑测试环境的稳定性、测试精度、测试效率及测试成本的问题。如前文所说，OTA测试是与RF传导测试相对应的，主要是通过“over the air”方式实现与测试仪表连接，除了需要测试仪表，还需要有OTA chamber，以及实现控制DUT和测试仪表的OTA系统软件。
与此相对应，NI推出了高性能的毫米波OTA验证测试参考架构，可对5G 毫米波波束成形AiP器件进行全面的特性分析和验证，该参考架构由以下部分构成：
●NI毫米波VST，用于生成和测量宽带RF信号；
●PXI仪器，用于实现可重复和精确的运动控制；
●隔离微波暗室，可在安静的环境中进行真正的远场辐射测试；
●毫米波OTA验证测试软件，实现交互使用和自动化。

                               
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图7：NI mmWave OTA参考架构
NI OTA参考解决方案实现了基于硬件的实时运动控制系统，可以更加快速地驱动DUT定位器，更加迅速地扫描空间网格，同时触发5G RF快速测量。这样可缩短测试时间，提高可重复性，并减少测量仪器和运动组件之间的非确定性关系。此外，NI毫米波OTA参考解决方案还能将实时运动控制与毫米波VST的宽带功能、高隔离度电波暗室、DUT 定位器以及RF透明热机箱(如果需要)集成在一起，可用于分析DUT的温度特性。

                               
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图8：NI mmWave OTA参考架构框图

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