5G半导体测试工程师指南
简介
就在几年前，即2016年，诺基亚网络公司的研究员与NI合作，共同研究毫米波频谱下的移动接入技术，为下一代无线通信奠定了集成。在此次合作中，NI和诺基亚网络公司联合开发了传输速率超过10 Gb/s的毫米波通信链路，这是迄今为止公开展示的最快速的移动接入无线系统。在毫米波频谱下实现10 Gb/s的数据速率，需要使用基于NI软件无线电硬件的设计环境，快速设计原型来验证这一概念。
与此同时，布里斯托大学和隆德大学的工程师和研究员也使用NI MIMO原型验证系统来加速5G创新以及推进5G蜂窝网络，以满足不断增加的数据速率、网络容量以及5G网络可靠性需求。该团队已经成功将带宽效率提高到当前4G蜂窝技术的20倍，创造了全新的记录，为在sub-6 GHz频段下部署5G打开了大门。
大概一年后，AT&T 依靠NI灵活的软硬件平台，开发出一种新型实时信道探测仪来开发高级模型，致力于为移动客户提供最佳的连接体验。该系统无需重复实验或调整设备，即可在同一个位置进行多次测量。由于参数可实时提取，因此通过路测(drive testing)所采集的5G毫米波频率测量数据的完整性也可实时进行评估。随着5G生态系统不断扩展以涵盖辅助驾驶、网联汽车、自动驾驶汽车等用例，研究和建立车载通信信道模型变得越来越重要。正是这些研究和无数其他努力以及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，共同造就了无线行业的现状。除了实验室研究外，5G设备制造商也在寻找快速且经济有效的方式来制造和测试设备，并对这一巨大的市场需求进行需求。
本文适用于对5G物理层有着基本了解的读者；因而侧重于介绍宽带5G应用在半导体器件测试方面所面临的新挑战。增强型移动宽带(eMBB)用例旨在支持更高的用户数据速率并提高系统容量。eMBB不同于传统的3G和4G蜂窝标准，可引入更高的工作频段，不仅可部署传统的蜂窝频段，还可部署3.5 GHz、6 GHz等高频率，直至毫米波频率，以实现更高的带宽分配。此外，5G技术还使用波束成形和大规模MIMO技术来提高频谱效率。这需要使用由数十个甚至上百个发射器(TX)/无线电接收器(RX)天线元件组成的高级天线阵列。
I.测试更复杂的宽带波形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10 GHz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(见表1)。
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100 MHz，载波聚合频率高达400MHz。而FR2信号的频率最高可达52.6 GHz，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。
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。
NI解决方案为了帮助工程师在验证设备性能时能更轻松地创建多个5G波形组合，NI开发了NI-RFmx波形发生器。NI-RFmx波形发生器提供了一个统一的软件环境，适用于创建和回放符合无线标准的波形，包括最新的新空口规范，可在NI PXI仪器上生成波形，或创建未锁定、未加密的I/Q波形文件，以便在自动测试序列中进行回放。
用户可选择CP-OFDM或DFT-S-OFDM方案，并且可配置信道宽度、开关调制方案并添加I/Q减损。
用户还可以创建无线局域网(WLAN)、蓝牙以及2G至4G和5G波形，以测试这些标准是否能够共存。该软件不仅为每个标准提供了大量预定义的配置，而且也可让用户配置具体的波形参数，包括多载波、滤波和减损。用户还可以保存其配置及其文件，并将其分配至多个测试台，以确保整个实验室的测试一致性。
除了RFmx 波形发生器外，NI还提供NI-RFmx分析驱动和API。这些API经过高度优化，可对LTE-A和新空口等无线标准进行物理层(PHY)RF测量。工程师利用这些API可轻松使用最先进的优化技术，如多测量并行技术和多DUT测量，从而实现快速的流水线测量自动化，只需很少的软件开发工作，即可对调制精度、频率误差、邻信道泄漏比(ACLR)、信道功率、占用带宽、频谱发射、IMD和信号的其他频谱特征进行可靠、高质量的测试。
NI-RFmx软面板 (SFP)提供了熟悉且直观的交互式体验，可让用户轻松展示RF测量结果。用户可以保存和加载其SFP配置，并将其应用于自动化代码。他们还可以暂停测试执行，并通过SFP接口控制自动化测试代码，以便快速调试和分析故障。最后，用户可选择并显示有效的自动化测量结果，以监控其测试执行情况。
II.配置宽带测试台，以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20 Gb/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400 MHz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。
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。
NI解决方案
PXI矢量信号收发仪(VST)结合了RF和基带矢量信号分析仪，具有1GHz瞬时RF分析带宽或复杂I/Q带宽。VST不仅具备生产测试仪器的快速测量速度和小巧的外形结构，同时也兼具研发级台式仪器的灵活性和高性能。凭借其高带宽，VST可直接用于5G测试平台，并适用于各种具有挑战性的测试用例，包括载波聚合5G波形的数字预失真以及4G和5G的带内和带间共存。此外，得益于PXI平台的亚纳秒级同步功能，测试台可轻松增加更多的VST仪器，以支持MIMO配置的实现。低相位噪音、高线性度和获得专利的I/Q校准的结合，意味即使在最窄的5G子载波间隔下，VST也可利用256-QAM等高阶调制方案来精准地测量误差矢量幅度(EVM)。
利用PXIe-5831毫米波矢量信号收发仪，将频率范围扩展至毫米波毫米波VST为5G毫米波设备测试工程师提供了最高可达5G 毫米波频率范围(FR2)的VST性能，。毫米波VST采用经过验证的VST架构，能够以非常高的性价比提供更高的测量速度和毫米波性能。
毫米波VST支持多种频率，工程师只需使用一台仪器即可进行IF(5-21 GHz)和射频(23-44 GHz)测试，因此也可以在同一系统上灵活地连接许多新型DUT，并测试新技术。每个毫米波VST均支持集成校准开关，用户无需大量成本或大幅增加系统复杂性即可轻松扩展端口数量，而且多个毫米波VST可集成到一个PXI系统中，从而进一步增加了测试台的功能来测试MIMO和相控阵列等新技术。
III.分析和验证5G组件
与其他标准和技术共存 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。
TX/RX 互易性
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。
测试多频段设备
测试多频段设备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(poweramplifier 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。
包络跟踪高效5G前端的测试工程师需要测试其设备在5G信道带宽下的包络跟踪功能，尤其是100 MHz或更高频率。将包络跟踪技术扩展到5G NR所需的100 MHz上行带宽和256-QAM调制方案基本不太可能，因为测试台必须能够触发并生成极宽的基带包络信号，而且在时间上要与复杂的大型波形基本完全对齐。然而，工程师也在努力尝试实现这一性能水平，以提高其设备的功率效率和电池寿命，从而满足用户需求。此外，可精确部署包络跟踪的前端有助于提高5G网络覆盖范围和容量，这两个参数均是网络运营商的重要指标。
新型毫米波操设备
为了避免大量传播损耗，5G需要采用波束成形子系统和天线阵列。测试新的波束成形IC需要采用快速可靠的多端口测试方案。这些测试方案必须测试每条路径的信号增益和相位控制，以确保适当的信号细窄/尖锐程度(level tapering)和相位调整，从而减少旁瓣和正确控制波束的方向。但是，由于这些测试方案需要朝着毫米波方向设计，因此本振引入的系统相位噪音会成倍增加，甚至可能占据主导地位，从而给组件测试带来了极大的挑战。测试仪器必须在FR1和FR2范围内均提供足够的动态范围，以分析和验证这两个5G频段内的组件性能是否一致。
RF-RF波束成形器
测试5G波束成形设备时，如图13中的波束成形设备，工程师需要在多个宽频段下测试最大线性输出以及各个路径的压缩行为。他们还必须检查衰减器的步进误差以及每个步进的相位偏差。对于接收路径，他们还需要对噪声系数与频率之间的关系进行分析。鉴于信号是双向的，因此最简单的测试方法是反转与测试仪器之间的连接，但对于水平和垂直极化的多端口设备(8个、16个甚至更多)来说，这个方法并不可行。测试仪器必须包括专为多端口测试而设计的快速双向切换解决方案。
IF-RF波束成形器其他类型的波束成形设备(即IF-RF波束成形器)可将中频(IF)信号上变频为RF信号。反之，这些设备也可以将接收到的RF信号下变频为IF信号(见图14)。正如上述针对RF-RF波束形成器的讨论，工程师还需要在不同频率范围内分析这些组件的性能，测量每个步进的幅度和相位变化，并检查频率变化是否适当，同时最小化镜像信号和高阶谐波干扰。IF-RF波束成形器还带来了其他测量挑战，因为它们需要在不同中频下生成IF信号并进行分析，具体频率取决于特定设备的频率设计。例如，部分DUT在 8或12 GHz的IF下工作，而有些DUT则将其IF设置为18GHz。
工程师需要分析和校正5G波束成形器设备的误差源，以确保正确的传输功率、精确的方向控制和可靠的灵敏度。这些误差源包括：
■ IQ减损和信号平坦度：这需要了解并确定IQ减损源，以在高带宽下实现均衡输出。
■模块之间的LO相位噪声和频移：由于天线阵列使用的多个波束成形器共享的是公共参考端而非公共LO，因此天线阵列会受到波束成形器之间的差分相位噪声的影响。另外当LO的信号链路分配比例过大，消除了波束成形器之间的相位误差相关性，也会产生该噪声。同样，不相关的ADC/DAC基带采样时钟也会导致模块之间发生频移。
■天线元件之间的相位差：确定相位差对波束方向(角度)和/或零位置以及功率的影响十分重要。正如前面所述，分析设备特性时需要考虑PA所引入的热效应、RF馈源网络的大容差以及滤波器的群延迟变化。
■信号细窄/尖锐程度(tapering)控制：控制每个元件的信号幅度会影响旁瓣电平和主瓣峰值增益。器件的PA和LNA进入压缩区和发热区时，特别是当封装中的组件密度非常高时，热效应会引发明显的幅度误差。
■隔离和互耦：这需要测量信号从一个路径传输到另一个路径的变化是否最小，这是因为天线元件和信号路径之间的互耦会影响MIMO操作和信号解调性能。
数字控制挑战
自动分析多频带FEM和多通道波束成形器还需要快速且简单的数字DUT控制。很多时候，工程师需要串行外设接口(SPI)和MIPI等数字协议在超频状态下进行测试，以便在真实应用场景中运行其DUT。例如，如果是波束成形器，则该设备必须满足5G技术对波束灵活性的要求(波束搜索、匹配、跟踪和波束成形等)。这需要在极短时间内更改状态。为了满足这一需求，测试台需要的数字仪器必须能够更快速实现数字协议。
NI解决方案
NI测试解决方案基于PXI仪器和灵活的测试软件，使工程师能够快速配置时间同步且相位相干的多通道测试系统，以实现自动化RFIC特性分析、验证和生产测试。最新的多核处理器可帮助用户更快速地生成并行测量结果，以应对不断增加的测试用例。此外，该解决方案还集成了各种快速的数字预失真算法，使用户能够部署和实时执行自定义算法，从而快速可视化PA性能结果。PXI平台内置的紧密仪器同步功能可满足包络跟踪PA/FEM的测试测量需求。而且借助基带VST提供的高瞬时分析带宽，工程师可以更轻松地满足高带宽5G功率调制器的需求。此外，PXI仪器(VST、源测量单元、数字卡和示波器)的产品广度和广泛的适用性使得工程师只需通过一个机箱就能配置完整的PXI测试平台。
此外，针对需要控制和测试IC的半导体工程师，NI PXI平台还提供了专用的高速数字I/O仪器。这些数字仪器基于drive format和time set概念，其中NI 数字pattern编辑器提供了丰富的软件体验，包含了各种调试和特性分析工具，比如数字示波器。这些工具可让工程师通过载入(burst)pattern来读写新波束成形IC的数据，而且速度快于当今流行的SPI或MIPI协议。这些功能强大的工具可辅助测试开发调试，并可让工程师通过多个参数快速了解设备的性能。
毫米波VST包含多个连接选项，可与不同的DUT类型连接。为了测试RF-RF波束成形器，该仪器使用双端口双向毫米波前端来生成波束成形器水平和垂直输入端所需的5G宽带激励信号。VST的另一个毫米波前端位于一个扇形连接到16个开关端口的外壳中，可以将DUT的输出路由到VST，以便快速进行波形分析。由于毫米波VST的双工特性，信号方向可以很容易地进行反转来测试波束形成器的接收器，如图17所示。
同样地，借助毫米波VST上经过校准的IF端口，测试IF-RF波束形成器也变得简单。该仪器可以生成激励IF信号并输出到DUT的水平和垂直IF端口，然后使用VST的开关式毫米波前端来测量所有波束形成端口输出的上变频信号。反之，毫米波VST可生成5G毫米波信号并输出到每个波束形成器的端口，并通过VST上经校准的IF端口采集最终的IF信号，以便快速进行分析，如图18所示。
具有多个双向毫米波端口还可简化测试配置，便于评估多通道FEM的性能，如图19所示。
IV.无线测试大规模MIMO和波束成形
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。
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。
图21显示了使用混合波束成形设备构成的5G无线电设备的框图。UE设备可以将多个子系统集成到单个AiP芯片中，以监测波束指向、前端功能和天线阵列。由于gNB基础设施的设备辐射的功率需要比UE高几个数量级，因此可通过使用更多的分立子组件来满足这一要求，尤其是依赖于不同半导体技术的前端部件，例如高功率砷化镓或氮化镓器件。
通过OTA进行准确的特性分析
在许多情况下，天线阵列阻抗不会接近理想的50 Ω。使用50 Ω仪器进行测试时，PA输出的行为会与PA连接到天线阵列时的行为有所不同。这会使等效全向辐射功率(EIRP)和总辐射功率(TRP)测量值产生误差。天线负载条件也会降低PA的效率，并引入谐波、互调和其他不良影响。在接收器端，当接收到的信号通过带通滤波器时，接收器路径评估并不会对天线阻抗过度敏感。但是，5GAoC和AiP设备的天线会与无线电紧密耦合，导致无线电噪声可能会改变天线温度，从而影响有效全向同性灵敏度(EIS)和总接收灵敏度(TIS)1。
当天线的噪声与无线电的噪声耦合时，OTA测量可以更准确地测量芯片组的实际RF性能。
远场测量挑战
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。如图22所示，孔径(即其有效面积或接收横截面；用于衡量天线接收信号的有效程度)为“D”的天线所产生的电磁场可包含三个区域：感应近场、辐射近场和辐射远场。
虽然许多研究人员正在研究近场测试，以避免使用大型RF暗室，但是采样天线的安装位置如果过于靠近DUT，会引起诸多问题。如果要正确分析半导体特性，需要做到以下几点；
■避免将DUT能量耦合至辐射近场的测量系统
■不仅要准确采集幅度数据，也要准确采集相位数据，以便正确进行近远场测量数据转换。
■ 评估EVM、ACLR或SEM，因为近远场变换最适合载波传播测量，但结果不如高带宽调制信号可靠3对于波长仅为几毫米的毫米波设备，合理设计的RF暗室并不需要像sub-6 GHz设备的测试装置那么大型。5G毫米波OTA RF 机箱可以是1m甚至更短，以满足远场测试条件4，如图22所示。这里的主要挑战并不是暗室的尺寸，而是：
■ 采样天线的位置
■DUT定位器的机械结构应至少具有两个可维持参考极化方向的自由轴
■ 机箱的屏蔽性能
■能够进行热循环测试，不会因环境问题对暗室造成损害
■正确分析静区的性能，静区是一个矩形体，其中墙壁、地板和天花板所反射的电磁波应低于规定的最小值。
温度测试挑战
高度集成的毫米波相控阵列在天线元件之间的间距和热管理方面也面临着严峻挑战。
由于阵列大小随波长而发生变化，因此在毫米波频率下将所有电子器件安装在阵列中变得越来越困难。
也就是说，当元件数量相同时，20 GHz用的阵列的大小是40 GHz用的阵列大小的两倍。
另外，两个频率下的天线阵列的辐射功率可能相同，但是40 GHz设备消耗的直流功率是20 GHz设备的四倍。
这使得工程师必须设计、充分分析并测试设备，以进行适当的热管理和降额处理。而且每条传输路径和每个天线元件可以承受的功率电平也有限制。
幸运的是，EIRP与元件数量的平方成正比，因此大功率系统的天线元件不会增加得那么快速。就接收器路径而言，难点在于设计低噪音系统并分析天线增益对于接收器噪声、温度或G/T的影响。
上面说到，EIRP与元件数量的平方成正比，而G/T仅与元件的数量呈正比。这增加了接收链路在设计和测试方面的负担。此外，天线与LNA之间的损耗会直接降低接收器灵敏度。
对发热元件进行特性分析的工程师需要一种方法来运行OTA测试序列，同时将DUT置于宽敞的热循环中。然而，暗室内的材料，例如RF吸收泡沫和机械定位器部件，可能会由于频繁的温度和湿度波动而受到损坏。OTA特性分析的一部分难点在于进行有效的热测试，以最小化热质量并避免损坏暗室或干扰RF测量。
空间扫描测试挑战
3GPP标准规定的OTA测试程序可帮助工程师根据波束中心、波束宽度、EIRP、TRP和灵敏度确定新的波束成形性能。图25介绍了工程师通过OTA测试其设备应遵循的程序。
OTA校准程序
第一步是使用增益已知的馈送天线和基准天线来校准测量值。基准天线位于DUT定位器上静区的中心位置，而测量天线则放置在远场的测量平面上。校准过程需要测量整个发射和接收路径的复合损耗。这包括所有天线和放大器增益，以及信号通过空中接口、电缆、开关和组合器等的损耗。工程师针对每个测量路径和每个极化重复校准测量。
3D天线方向图 系统校准后，工程师将调制的5G测试信号馈送到DUT，并使用如图26所示的网格分别对每个正交极化执行空间扫描。也就是说，在每个空间点上，毫米波信号分析仪会捕获每个极化的发射功率数据，并由测试系统存储结果。
之后，测量系统返回DUT的3D天线方向图和发射波束峰值方向。然后，工程师驱动DUT，使其在后续测试期间保持锁定在该特定方向。辐射功率和调制测试工程师不仅需要通过测量特定方向的EIRP来分析设备的特性，而且其测试解决方案还必须整合每个极化的网格上每个点处测量得到的功率，以便计算TRP。除了获得这些结果所面临的技术挑战外，EVM、ACLR和频谱发射等传统测量现在也与空间密切相关。测试区域(静区)中的反射信号必须进行衰减，直至测量不确定性(MU)维持在预设值以下。
例如，3GPP关于测试方法5 的研究指出，为了测量EVM，工程师必须：
1. 使用预定义的网格，通过3D EIRP扫描找到TX波束峰值方向。
2. 在测试期间将波束锁定在该方向上。
3. 测量EVM以获得调制信号的Φ和θ极化。
接收器测试
工程师还必须测试其5G设备的灵敏度并确定EIS。在测试完整的5G无线电时，测量系统通过下行信号来与DUT建立连接。测试系统必须确定每个极化的功率电平(吞吐量超过指定参考测量信道的要求时的θ和ϕ值)。然后，系统返回接收波束峰值方向，此方向的EIS最小。基于这一接收波束峰值方向，我们可以分析接收器的动态范围及其在θ 和ϕ极化下抑制通道内分块信号的能力。这便提出了一个挑战：同步生成5G信号来连接DUT和宽带干扰源。
细空间网格和测试时间挑战
当工程师使用3GPP指定的网格进行OTA分析和验证测试时，他们可能会发现其测量精度需要提高。这是因为波束峰值方向可能无法与空间中的采样点完全对齐，从而产生测量误差。该误差在零方向(pattern zero)附近更明显，因为方向会随角度单位的变化而快速变化。
从统计学角度来看，采样网格越精细，测量不确定性越小。但问题在于网格越精细，测试时间越长。
假设以下测试场景：
总测试时间=(定位器位移时间+测量时间)*网格尺寸* 2(极化
)常规定位器位移时间+每点测量时间：0.25秒
测试：TxP，EVM使用100 MHz 5G新空口波形
表3的结果适用于单一频率下的测量。因此，如果要分析高带宽下的设备性能，测试时间就是一个很大的挑战。例如，如果系统使用2,000点网格，并以100 MHz的步长对4 GHz带宽进行空间扫描，则40次空间扫描需要超过11个小时才能完成。研究人员对波束峰值偏移的影响进行了长时间的模拟，并观察到测量点少于1000个的网格产生的误差小于0.2 dB(最大EIRP - 网格点处的波束峰值EIRP)，标准偏差小于0.2 dB6。
此外，在测量各种密度网格的最大EIRP与波束峰值EIRP并获得数千个仿真结果后，研究人员发现，测量不确定性的系统误差项取决于两个变量：基于95％测量样本得到的波束峰值偏移量，或者代表5%累积分布函数的值。仿真结果表明，这些少于1,000点的网格产生的波束峰值偏移量小于0.5 dB，这时累积分布函数为5％7。基于在测试时间和测量不确定性之间进行合理权衡后的仿真结果，建议使用以下测量网格进行波束峰值搜索，即可找到0.5 dB的“波束峰值搜索”系统误差：
■具有至少800点的固定密度网格
■ 具有至少1,106点的固定步长网格，对应的角度步长为7.5º
而且该步骤可以通过先粗搜索后精搜索来进行优化，以大幅减少波束峰值搜索网格点的数量。
也就是说，使用粗网格来识别波束峰值可能存在的候选区域，然后在第二阶段使用精细网格来进行细化搜索，如图28所示。工程师也可以将此方法应用于发射波束峰值搜索。
毫米波测量 - 不确定性挑战
有多个因素导致OTA测量不确定性。采用OTA测试解决方案的工程师应综合考虑这些因素，才能为所有测量结果计算误差范围。这些不确定性来源可分为三大类，这样的分类有助于工程师理解不确定性来源并减轻其影响：
1. 系统误差：系统误差通常来自测试设备和测试仪器，可能因为这些仪器未正确校准或出现持续偏移。此外，也有可能是因为用户没有正确操作仪器。
2. 校准测量误差：OTA系统的许多组成部分都存在着相关的挑战，比如控制静区的质量；正确放置参考和测量天线以确保正确的对齐和距离(远场)；消除驻波和互耦；以及准确地确定天线的绝对增益。
3. DUT测量误差：如上所述，针对不同的DUT使用正确的测量网格密度有助于获得更可靠的结果。同样可提高结果可靠性的方法有：采用严格的步骤来确保定位器上的DUT始终与测量天线维持相同的距离和角度；通过所有连接器接口控制任何信号泄漏。减小OTA测量不确定性的更深一层解决方案是，将不确定性来源分离到系统子组件中：
1. 测量设备
2. 暗室
3. 定位器
4. 测量和基准天线
测量设备挑战
在校准毫米波设备OTA测试系统的总路径损耗时，工程师必须准确地测定宽带RF功率。在毫米波频率下校准功率测量值首先需要使用多个二极管传感器来覆盖所需的频率范围，但这项技术正在转向基于热电偶技术的宽带功率传感器。工程师可以校准从24 GHz到52 GHz的5G毫米波频段的宽带功率。此外，使用单一连接可减少使用多个传感器可能产生的误差。
当使用矢量信号发生器和分析仪切换到连续波和调制波形测量时，由于仪器的插入损耗、输出和输入阻抗匹配以及平坦度和幅值精度规范，工程师必须考虑信号路径上的总体不确定性。此外还需要考虑在低信噪比测试场景中，噪声作为系统误差源产生的影响。
射频暗室测量挑战
频率和空间上的功率和相位变化是由测量天线处直接波和反射波矢量迭加引起的。因此，电波暗室需要尽可能地模拟自由空间传播而不发生反射。然而，在没有反射的情况下很难获得直接波。这就是为什么工程师必须努力创造一个静区的原因，DUT就完全放置在这个区域内。在该区域中，由反射引起的功率和相位变化降至最低。
尽管对于TRP等空间积分值，这些变化可通过取平均来消除，但静区的性能会显著影响指向性更明确的EIRP测量。工程师在创建静区并测量其性能时，面临的一个巨大的挑战是将基准天线放置在各个参考点和方向的情况下进行测量。由于存在离轴指向，因此他们通常需要校正测量距离和天线方向性方面的差异。这项任务非常繁琐，可能需要耗费数小时，并且需要特别注意测量结果。
暗室内的其他不确定性和测量误差来源包括由于测量天线和DUT天线之间的孔径尺寸不同而引起的相位弯曲(phase curvature)，以及强方向性天线之间或天线距离过短引起的驻波。
连接器产生的噪声并不总是可以忽略不计。这些噪声会增加数dB的不确定性8。解决这一挑战的方法有重新布置暗室内的线缆、增强电缆屏蔽以及使用射频吸收材料来覆盖电缆。
定位测量挑战
随着DUT的天线方向偏离其校准的方位角和俯仰角位置，测量天线的方向图也会随之发生变化。很多时候，由于定位器的机械间隙或不确定性，或者夹具松动导致DUT安装不一致，也会出现角度偏差的情况。定位对功率测量的影响取决于测量类型。TRP等综合测量量受到的影响要比EIRP等波束峰值测量量小。
严谨的DUT定位器设计还可以避免由于相位中心偏离旋转轴而引起的误差。也就是说，天线之间的测量距离将随角度而变化，而不是保持在预先配置的测量平面上。
验证基准天线和测量天线是否对齐也很重要，这可以避免降低基准天线对测量天线的增益，特别是因为系统校准需要使用最大天线增益来计算路径损耗。
用基准天线进行校准后，工程师将DUT安装在定位器上。但是，他们必须考虑因两个测量平面未对齐导致的测量不确定性，如图34所示。
天线测量挑战
暗室内的天线对与其自身极化进行交叉极化的入射场分量具有有限的隔离作用。也就是说，垂直极化天线接受来自水平极化信号的部分功率，反之亦然。这会影响测量结果，具体取决于交叉极化隔离度。在最坏的情况下，天线会发生明显的交叉极化泄漏，垂直和水平方向上均出现入射波形，并且泄漏分量完全同相。
工程师还必须处理来自基准天线馈源电缆的另一个误差源，该来源仅出现在校准阶段，并且在测试DUT时可能会消失或改变。布线、弯曲和旋转接头也会影响测量结果。
程序测量挑战
最后，总结一下这一部分有关OTA测量挑战的内容，其中还存在一些程序性的不确定性来源。如上所述，校准阶段和DUT测量阶段之间的插入损耗变化也会引入了不确定性。也就是说，校准天线可能可以更好地匹配50 Ω仪器，并且布线也不同于DUT。因此，当工程师需要在测量系统中引入需要不同布线方式且不同阻抗的DUT时，插入损耗不会对校准值产生太大影响。
此外，工程师可能不知道某些DUT中天线阵列的确切位置。
这种情况的测试就称为“黑盒”测试9，也会引入不确定性，因为测试夹具上的天线位置与预期不同。
对空间网格进行采样并在距离DUT固定距离处的球面上计算功率密度也会引入测量不确定性。如上所述，天线波束宽度和旁瓣抑制以及采样网格布局和密度都起着关键作用。由于TRP是EIRP的组成部分之一，在固定步长网格的情况下；
但是测量系统会通过功率密度值采样和数值求和来粗略估计结果。3GPP规定了一些组合样本的方法，而且每个方法也提供了估计的测量不确定性。表4说明了间距等于λ/2的8x2基准天线阵列的预期测量不确定性。
下图对预期测量不确定性进行建模评估，其中考虑了先前所述的各种测量误差源对不确定性的影响。
NI解决方案
对于需要进行RF-RF或IF-RF OTA性能分析或AiP器件或天线模块设计验证的毫米波半导体工程师而言，NI毫米波OTA参考设计使其能够准确测量DUT在所有传输方向上的完整辐射场。
通过硬件定时的运动控制，加快测试速度
与通过软件来指示DUT定位器在空间采样网格上的每个点进行加速、停止和测量的测量系统不同，NI系统提供了亚纳秒定时和触发功能，可显著缩短测试时间。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。这样可以缩短测试时间，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。
NI毫米波OTA参考解决方案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。下面的系统图(图38)描述了NI毫米波OTA参考解决方案，并展示了其中的关键组件，这些组件为工程师提供先进的强大测试功能来分析和验证其毫米波波束成形DUT。
快速执行后，测试定序器会为工程师提供测量结果，如EIRP、TRP、EVM、半功率带宽等。此外，工程师还可以利用各种可视化工具，例如一维切片分析、一维极坐标图、三维天线方向图、热图和最佳波束索引。
毫米波OTA参考解决方案的图形化用户界面提供了一种方法，能让您使用许多不同测量参数、扫描参数和连接设置来配置执行。它还可以执行后处理算法，并以易于理解的报告形式显示测量结果。测试执行引擎从用户界面接收配置参数，然后运行测试序列，并控制DUT、定位器和仪器以获得准确的数据。
RF暗室及其静区、校准天线和参考定位器在测试解决方案中都起着至关重要的作用。NI的这些元件均可提供出色的RF性能，快速平稳的运动，以及可靠且可重复的定位精度，而不会影响针对不同类型的DUT的定位灵活性。
V.过渡至批量5G设备生产
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(见图39)。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。
NI解决方案
新一代5G有源天线阵列器件采用有源波束形成器电子器件，包含了许多非线性RF元件，如数控PA、LNA、移相器和混频器。新设计将多通道配置整合到一个封装中。为了达到高吞吐量，自动化生产测试系统必须支持高度并行的多站点测试。如之前章节所述，NI用于特性分析和验证任务的模块化测试平台可完全满足生产车间的测试需求，这要归功于其较小的占地面积、较低的成本以及自动化设计。它与最新的 5G NR PHY 层要求保持同步，包含了构建多通道测试系统所需的测量科技和瞬时带宽这些基于PXI的测试系统可以使用PXIe-5840 VST测量FR1频段的5G NR宽分量载波或载波聚合信号，也可以使用毫米波VST对FR2频段进行测量。该解决方案结合了数十个双向RF端口，可直接用于5G测试，并与高端台式仪器的宽带性能相匹配，同时每分钟可以测试更多设备。
对于外包半导体组装和测试公司而言，设计5G可扩展性并预测新生半导体技术变得至关重要。将测试技术更快地推向市场的最有效方式是设计一种模块化测试架构，通过内置的灵活性来优化初始测试功能或添加新测试功能，以满足未来需求，避免系统快速被淘汰。
NI将所有这些功能集成到单平台测试解决方案中，不仅可直接用于量产环境，而且还能够以经济高效的方式快速、可靠地进行5G测试，同时最大限度地降低费用和占地面积要求，从而 让生产投资回报最大化。NI半导体测试系统(STS)将工业标准PXI平台的测试速度和价值集成到适用于量产的ATE解决方案中，而且可进行扩展来满足不断变化的5G测试要求以及有限的预算需求。虽然专为实验室设计的大型毫米波测试仪器在尺寸和价格上不断增大，但NI将PXI 毫米波VST的强大功能和高性价比直接纳入到适用于量产的ATE中。测试工程师不仅可以满足新型5G RFIC的毫米波调制测量要求，而且还可满足5G半导体生产环境的运行需求。
如今的开发周期正在不断缩短，灵活且可扩展的测试系统对于 OTA 测试来说至关重要。为保证5G商用的快速落地，NI 将继续与行业领导企业保持密切合作，采用平台化方法，开发高度模块化的RF仪器和软件定义的测试策略和解决方案。通过这种方式，工程师可以确信他们的资本支出可以跟上无线行业不断发展的测试需求。
结论
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。其中最棘手的是在特性分析实验室和生产车间的毫米波OTA测试。
虽然测试系统和测量系统在设计上必须能够测试目前的AiP设备，它们还必须能够适应未来的波束成形和OTA的测试要求。这意味着，测试系统必须具备灵活性，不仅可以测试当前的设备，而且也可以适应未来的半导体技术。由模块化硬件和灵活软件组成的NI平台使工程师能够利用新的仪器功能来加快并简化5G设备的特性分析、验证和生产测试。
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往期回顾
【114页/附下载】5G元年，电子行业迎来新时代-5G+AI系列研究