5G時代，使用的頻率更高——毫米波頻段；帶寬更寬——數百兆；設備更加復雜——MIMO/多天線。高帶寬5G技術的快速發展為測試和測量新設備的RF性能帶來了重大挑戰。為了滿足市場對5G 技術的迫切需求，研究人員和工程師需要依賴于更快、更具成本效益的測試系統來應對這些挑戰。
一波形變得更寬且更復雜
3GPP一直以來致力于制定和發布顛覆性且極具挑戰性的5G規范。3GPP 5G新空口規范包括兩種已獲得批準的正交頻分多路復用技術(OFDM)、各種調制和代碼集、靈活的參數配置(numerology)和多個信道寬帶。除了這些參數外，5G波形還包括用于信道估計、優化MIMO操作和振蕩器相位噪聲補償的參考信號。5G波形引入了自包含(self-contained)集成子幀設計，同一個子幀內包含了上行鏈路/下行鏈路的調度信息、數據傳輸和確認。
5G基站以及其他基礎設施設備，簡稱gNode B (gNB)，在下行鏈路中使用循環前綴OFDM(CP-OFDM)方案，而用戶設備(UE)兩種方案都支持，即CP-OFDM和離散傅里葉變換擴頻OFDM(DFT-S-OFDM)方案，具體取決于gNB指示UE使用這兩種方案中的哪一種方案來進行上行操作。DFT-S-OFDM具有較低的峰均功率比(PAPR)，因此有助于提高功率放大器的效率和能效。此外，考慮到信號在毫米波和低于10GHz頻率下有著不同傳播和反射行為，5G標準規定了在兩種不同基本頻段的操作。在許多情況下，整個RF規范的要求會因兩種不同頻率范圍而有所不同。低頻范圍內(FR1)的信號可以使用頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩種模式，帶寬高達100MHz，載波聚合頻率高達400MHz。而FR2信號的頻率最高可達52.6GHz ，僅可在TDD模式下運行，并且單信道帶寬高達400MHz。FR2信號還可以將多個載波組合在一起，以實現高達800MHz的聚合帶寬。不久之后，規范可能會將這一聚合帶寬提高至超過1GHz。
解決思路：所有這些因素都給研究人員和工程師研究對應的新波形帶來了更大難度。他們在創建、發布和生成符合標準上行鏈路和下行鏈路信號方面面臨著新的挑戰，因為這些信號相比以往具有更多配置、選項和更寬的帶寬。選擇符合5G標準的工具，生成和分析所需的波形，并在不同測試臺之間共享這些波形，以充分分析DUT的特征。
二儀器必須是寬帶且線性的，而且必須能夠經濟高效地覆蓋廣泛的頻率范圍
為了實現5G增強型移動寬帶某些極具挑戰性的關鍵性能指標，即超出20Gb/s的下行峰值速率以及10,000倍以上的流量，5G標準規定了兩個基本頻率范圍內不同信道帶寬下的寬帶場景。這旨在復用400MHz左右至7.125 GHz(FR1)和24 GHz至52.6 GHz (毫米波FR2)范圍內的許多現有頻段及一些未獲得許可的新蜂窩頻段。
圖1 5G新空口的頻率范圍
盡管在航空航天和軍事等行業，RF工程師一直在努力開發專用的毫米波測試系統，這些系統往往造價不菲，但對于面向大眾市場的移動行業來說，目前尚未有合適的毫米波測試系統。由于各種新設備的不斷出現及未知的未來需求，開發更有效的驗證平臺對測試工程師而言是一項挑戰。傳統的5G設備(包括最新的毫米波組件)測試方法需要工程師使用一系列昂貴的大型臺式儀器進行手動測試。工程師很難集成、擴展或優化其儀器來實現自動化設備驗證。工程師亟需經濟高效的測試設備來針對新設備類型配置大量測試平臺，這些測試設備應具備以下特點：高度線性化；在極大的帶寬范圍中，具有緊密的幅度和相位精度；低相位噪音；廣泛的頻率覆蓋范圍，適用于多頻段設備；能夠利用其它無線標準測試是否共存。為了適應快速變化的測試要求，他們需要基于軟件的模塊化測試和測量平臺來覆蓋較寬的頻率范圍。
解決思路：投資到能夠評估現有和新頻帶性能的寬帶測試平臺。選擇不僅能夠與當前標準共存，還能隨著適應未來變化的儀器。
三組件特性分析和驗證需要更大量測試
5G的初始部署可能采用非獨立組網模式(NSA)，在這種模式下UE仍需要依賴LTE網絡進行鏈路控制，并使用5G連接作為高帶寬數據傳輸通道。因此，工程師需要驗證5G新空口(NR)與帶內和鄰帶LTE的共存性。5G系統將采用帶寬分塊(bandwidth parts)機制來實現5G和LTE信號的載波共享， 因而工程師需要使用間隔非常小的信號來驗證其設備的性能。
未來的NR規范將納入未授權頻譜的輔助授權接入(LAA)技術，作為聚合輔助信道。這意味著工程師必須測試其設備對特定未授權頻段的影響情況，以確保兩者之間的共存。
同樣地，當UE包含符合各種標準的多個無線電收發器時，工程師必須進一步關注帶內和帶外信號的濾波和抗擾設計，以確保設備內不同標準的共存。某個標準的諧波、非線性頻譜增生以及各種雜散會影響5G NR設備的靈敏度。
圖2 WLAN帶外泄露導致的5G NR減敏現象
工程師在開發發射/接收系統時必須考慮的另一項重要因素是TX和RX路徑之間的互易性。例如，當系統驅動發射功率放大器(PA)完全進入壓縮區時，該PA引入的幅移和相移(AM-AM和AM-PM 相應 )以及其他熱效將超過接收器路徑中低噪聲放大器(LNA)所引入的這些效應。另外，移相器、可變衰減器和增益控制放大器以及其他器件的容差可能導致信道之間的相移不均勻，從而影響系統的預期相位相干性。
因此對前端模塊(PA和LNA)、雙工器、混頻器和濾波器等RF通信組件進行特性分析將面臨著一系列新的測量挑戰。為了在較大帶寬下實現更高的能效和線性度， 5G PA引入了數字預失真(DPD) 等線性化技術。AM-AM和AM-PM圖有助于一定程度上了解PA的行為，但是設計人員還需要考慮到寬帶5G信號具有非常明顯的記憶效應。由于電路模型難以預測記憶效應，因此降低記憶效應唯一有效方法是測試PA并在時域信號通過DUT后采集該信號，并應用DPD技術。現有的DPD技術要求測試設備生成并測量3到5倍帶寬的信號。這對于需要對帶寬為100、200和400 MHz的5G信號進行預失真的測試設備來說是一個很大的挑戰。
隨著市場需求的變化和行業的發展，對多頻段前端模塊(front-end module，FEM)和PAMiD(power amplifier modules with integrated duplexer，帶集成雙工器的功率放大器模塊)進行特性分析和測試也日益困難。這些器件需要能夠快速切換的多信道測試臺，以測試不同路徑和頻段組合的性能，有時可能需要并行測量不同的組合。此外，典型的測試還需要在不同的電壓電平；不同的載荷條件；有或無DPD情況下的輸出功率電平、線性度和調制精度；不同的頻段組合以及不同的溫度下進行全面測試。
許多多頻段設備必須支持E-UTRAN New Radio Dual Connectivity(EN-DC)技術，即4G和5G標準雙連接技術。因此，需要覆蓋的測試用例也不斷增加，包括單載波和載波聚合信號的多種組合。此外，這些用例不僅需要在低于6GHz的頻段下進行測試，現在也需要在7GHz左右的頻段下進行測試，以考慮工作于非授權頻譜的5G NR(NR-U)。由于這些設備具有更高的集成度和組件密度， 因此分析LTE和NR信號傳輸時的熱管理和散熱就變得非常重要。
解決思路：確保您的測試系統能夠處理多頻帶和多通道5G設備，以滿足波束成形器、FEM和收發器的需求。處理6 GHz以下的寬信號以及毫米波頻率的信號需要分析和驗證RF通信組件的性能。工程師不僅要測試創新的多頻帶功率放大器、低噪音放大器、雙工器、混頻器和濾波器設計，還要確保經過改進的新型RF信號鏈能夠支持同時操作4G和5G技術。此外，為了避免傳播時出現大量損耗，毫米波5G測試系統還需要波束形成子系統和天線陣列，這就需要快速可靠的多端口測試解決方案。
四大規模MIMO和波束形成系統的無線測試使得傳統測量對空間的依賴性非常高
在大規模的MIMO系統中，基站天線的數量遠超用戶終端的數量。因此，5G標準納入了多用戶MIMO(MU-MIMO) 技術，其中基站向有源天線系統饋送預編碼信號，然后在空間上將多路同步數據流發送給多個用戶，用戶端的每個接收器均可選擇其所需的數據流。為了實現該空間多路復用，gNB需要將輻射能量通過波束成形技術集中至各個接收器。基于波束成形技術，工程師可以實現MU-MIMO，以提高gNB容量并減少發射過程中的能量消耗。在毫米波頻率下，通過動態波束成形方法將輻射波束集中到UE方向可提高鏈路預算。波束成形的另一個好處是它可以創建波束零點并控制其方向來抑制同信道干擾，從而確保高吞吐量。
圖3 通過波束成形實現空間復用
隨著5G商業化的逐步實現，基礎設施和用戶設備組件的集成程度不斷增加，外形更加小巧。盡管部分組件將繼續采用易用的同軸連接器，在實驗室中對每條RF路徑進行特性分析和驗證，但由于管理和測試數十甚至數百個連接會增加復雜性和成本，占用較大的物理空間以及引入更高的插入損耗，許多波束成形系統可能會放棄使用天線連接器。目前的趨勢是使用片上天線(AoC)和封裝天線(AiP)設備來實現毫米波頻率下的波束成形，但這種設備沒有可用的RF測試端口，迫使業界亟需尋找可以使用OTA輻射測試方法來進行設備特性分析的測試系統。
隨著工程師從傳統的RF半導體傳導測試轉向OTA測試方法，他們面臨的挑戰是建立動態OTA測試系統來準確測試RF性能。因此，工程師將DUT放置在電波暗室內受控的RF環境中，與測量系統呈一定距離和角度，進行OTA特性分析和驗證測試。
解決思路：OTA測試技術能夠在快速精準地控制運動的同時進行RF測量，讓您可以在預期的時間內準確地分析5G波束形成系統的特征。工程師在測試5G波束形成設備時，面臨著分析發射和接收路徑以及優化接收和發射天線互易性的挑戰。比如，發射功率放大器進入壓縮區時，會產生幅值和相位失真及其他熱效應，而接收路徑的LNA并不會產生這些現象。此外，移相器、可變衰減器、增益控制放大器和其它器件的容差可能導致通道間的相移不相同，以致影響預期的指向性圖。測量這些效應需要采用空口(OTA)測試技術，這使得TxP、EVM、ACLR和靈敏性等傳統測量對空間的依賴性非常高。
五批量生產測試需要測試系統能夠快速、高效地進行擴展
無論是實驗室還是生產車間，5G新空口設備的寬前端模塊、PA和其他RFIC在進行特性分析和驗證時始終面臨著一些挑戰。對于工程師來說，測試FR1和FR2中的高帶寬信號、覆蓋更多頻段以及對無法連接RF連接器的波束成形設備進行測試，都是更艱難的挑戰。5G的商業化要求縮短每個DUT 的測試時間(只需幾秒鐘 ) ，提高產量以及降低資本和運營費用。工程師正在尋找實用的方法來部署低成本、高效率且高吞吐量的5G生產設備測試系統。
盡管OTA測試設備的需求已存在數十年，主要是在相控陣雷達等國防應用中，但許多工程師仍然對使用大型電波暗室來滿足更高產量目標的傳統測試方法的可行性存在質疑。每當談及OTA測試解決方案，就不會不提到RF暗室，RF暗室已然成為OTA測試解決方案的必要組件。對于設計分析、驗證、合規性和一致性測試，適當的RF暗室可提供安靜的RF環境，確保設計滿足所有性能和法規要求，并具有足夠的裕量和可重復性。然而，對于批量生產來說，傳統的微波暗室會占用大量的生產空間，并增加資本支出。
為了解決這些問題，市場上出現了具有 OTA 功能的 IC 測試插座(帶有集成天線的小型RF外殼)， 從而將半導體 OTA 測試功能小型化。盡管測量天線距離 DUT IC 只有幾厘米，但是對于每個天線元件的遠場測量來說，這個距離已經足夠。相對較小尺寸的測試插座還有助于多站點并行測試增加測試吞吐量，同時最大限度地降低信號的功率損耗。不過，小型測試插座存在反射問題，反射會妨礙整個天線陣列的波束成形測量，這種測量的遠場距離一般是 10 厘米甚至更遠。因此，工程師需要特定的DUT測試模式，使其能夠單獨訪問每個元件，并能夠創建可列表的測試序列，以便減少軟件與DUT和測試儀器的交互作用，從而提高測試執行速度。
即使采用小型RF外殼，工程師也面臨著OTA鏈路預算有限而帶來的測試挑戰。例如，在28 GHz 時，DUT和天線之間僅僅10 cm的距離也會導致自由空間路徑損耗超過30 dB(包括發射和接收天線的增益)，而如果使用同等長度的同軸電纜，損耗僅為1 dB左右。對于接收機IP3測量，OTA方法要求測試儀器在發射天線處生成高出30 dB的輸出功率，才能在DUT處獲得同等水平的接收功率。這對于基于RF暗室的OTA配置來說可能是一個挑戰，而對于位于1.5厘米遠的OTA插座式解決方案而言，所需的傳輸功率要低得多。
另一種OTA測試方法是生產測試系統采用更長的RF機箱。DUT會使用整個天線陣列，啟用波束成形功能，而不是單獨使用每個天線單元，并在關鍵波束成形方向上尋找聚合RF性能。這里的測試挑戰在于識別芯片和封裝基板之間的連接是否斷開或很弱，同時還要測量封裝內天線的質量。在初始生產階段，供應商可以運行完整的參數OTA測試，然后在批量生產時切換到一部分測試。
新的測試平臺還必須能夠應對目前5G設備對測試需求所提出的挑戰，并能夠擴展覆蓋范圍，以便支持未來功能更強大的設計。例如，盡管眾多制造商仍在繼續研究如何充分測試24至52GHz頻段內的設備，但研究人員也在探索WLAN IEEE 802.11所定義的57至66GHz頻段內的協議共存，以期不斷突破頻率和互操作性的局限性。
解決思路：選擇一個可將實驗用5G儀器擴展到生產現場的ATE平臺，簡化特性分析和生產測試之間的數據關聯。新型5G應用和垂直行業的需求不斷增長，使得制造商每年需要生產的5G組件和設備呈指數級增加。制造商面臨的挑戰在于需要提供快捷的方法來校準新設備的多個RF路徑和天線配置，并提高OTA解決方案的測試速度，以確保制造測試結果的可靠性和可重復性。但是，對于RFIC的批量生產，傳統的RF暗室會占用大部分的生產廠房空間，使廠房無法放置其他流程所需的設備，導致材料處理流程中斷，這會大幅增加資本支出。為了解決這些問題，市面上已推出支持OTA的IC插座（具有集成天線的小型RF外殼），這些產品大幅減少了半導體OTA測試所需的占地空間。