5G正飛速發展。2018年,我們看到第一批5G晶片組橫空出世。今年,我們將見證新一代Node B 5G基地台(gNB)和裝置的首次商業部署。無論是晶片組、裝置製造商還是網路設備製造商(NEM)以及服務供應商,整個行動生態系統都在推動這項技術發展。在營運商開始從5G創造新的營收之前,業界必須解決可能是這項技術的最大挑戰:製造測試。

我來說得更明白一點。由於使用了大規模多路輸入多路輸出(MIMO)、擴展到毫米波(mmWave)頻段,並採用了波束成形(beamforming)技術,5G的複雜程度呈指數級成長,從而顛覆了從研發(R&D)到現場的整個無線生態系統。但是,製造是產品生命週期中理論與實踐相結合的階段。5G要獲得成功,NEM必須找到更經濟高效地測試基礎設施設備的方法,在提高速度的同時確保高品質,並保持一定的靈活性,以因應數量、通道要求以及更多頻段的突然增加。裝置的複雜程度提升、尋找突破以降低測試成本以及加快產品上市,這三點之間看來完全相互矛盾。在製造流程中,NEM面對的最大挑戰就是如何同時解決這些問題,從而獲得5G競爭優勢。

大規模MIMO中的通道數量增加到了16、32、64甚至128個,這極大地影響了測試時間,導致測試成本也相應增加。NEM必須在製造廠中控制測試裝置佔用的空間,並確保製造測試操作具有可擴展性,同時還要大幅提高其測試速度。

與此同時,毫米波頻率由於具有更大的功率損耗,加上天線直接鍵合在未連接任何電纜的無線晶片上而必須進行無線傳輸測試(OTA),從而導致了鏈路預算問題。這些因素會使動態範圍下降。而進行精確的測量則變得更具挑戰性。為了降低基地台製造成本,NEM正承受著巨大壓力,然而,克服這些挑戰還需要更多材料,例如OTA暗室和高性能儀器。

適用於gNB製造的實用OTA測試解決方案

隨著5G的到來以及對於更高頻寬的追求,NEM不得不離開熟悉但十分擁擠的sub-6GHz頻段,進入難度更大但不那麼擁擠的毫米波頻段。在5G新無線電(5G NR)標準規範中,sub-6GHz頻率被稱為頻率範圍1 (FR1),而與5G NR的頻率範圍2 (FR2)截然不同,這一毫米波頻率的範圍在24.25GHz到52.6GHz之間。

毫米波頻譜的使用頻率較sub-6GHz頻率低,由於許多應用都不使用這一範圍,因而擁有更高的頻寬,從而為使用者提供所需的資料速率。儘管這一方面十分吸引人,但毫米波的傳播特性卻不盡如人意。由於存在較高的散射、透射和大氣損耗,因而在這些頻率上存在較高的路徑損耗,限制了無線訊號的範圍。這迫使人們採用相控陣列並且避開之前用於放置探棒的空間。5G因而為測試操作帶來顛覆性變化,從傳導測試轉變為輻射測試(也稱為OTA測試)。

在OTA測量設置中,儀器與待測物(DUT)之間的過多路徑損耗會降低訊號雜訊比(SNR),導致不佳的誤差向量振幅(EVM)和鄰近通道功率比(ACPR)。出色的ACPR儀器性能可以確保儀器只在其分配的通道內進行傳輸,從而有效地將干擾控制到最低。

研發工程師可以使用高性能微波儀器來解決毫米波路徑損耗問題。在製造過程中使用此類儀器可能會適得其反,甚至導致測試成本大幅上升。您可能必須考慮打造一個結合低頻範圍的儀器與外部毫米波收發器的解決方案,從而在性能和價格之間取得均衡。這樣的解決方案能在測量平面進行上下轉換,從而降低插入損耗,並在更寬廣的功率範圍內提供所需的性能。透過這種方式,就能取得一個更實惠、更靈活的高頻5G製造測試解決方案。

圖1介紹遠端毫米波收發器頭端如何在OTA測試設置中降低插入損耗。

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圖1:FR2頻率範圍的典型測試設置。

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圖2:透過遠端毫米波收發器頭端進行OTA測試的設置,可降低插入損耗。

可擴展儀器瞄準更多頻段和更高通道頻寬

5G NR頻率範圍覆蓋了多個頻段,其中FR1的頻段編號為1到255,而FR2的頻段編號則為257到511。sub-6GHz頻段的最大通道頻寬增加到了100MHz,毫米波頻率的最大通道頻寬增加到400MHz。這一通道頻寬是LTE標準的5到20倍,因為LTE、LTE-A和LTE-A Pro的最大通道頻寬均為20MHz。相較於LTE-A的100MHz和LTE-A Pro的640MHz,5G NR的最大聚合通道頻寬也高得多(幾乎是LTE標準的兩倍),其中FR1達到了400MHz,FR2則高達1.6GHz。

NEM若要將增加的5G測試成本控制到最低,必須配備能靈活處理大量5G NR頻率(包括毫米波)和更寬通道頻寬的測試儀器。儀器的可擴展性有助於控制測試裝置的佔位空間,因此降低了合約製造商通常按面積收取的製造空間費用。

隨著通道頻寬的增加,EVM、平坦度和動態範圍等性能要求也變得更加難以實現。NEM需要具有出色射頻(RF)性能的儀器,必須能以低頻回應振幅和相位,以減少校正造成的SNR下降。此外,請注意可能導致測量精度降低的其他因素,例如測量系統中的元件、開關和電纜等,並且要對測試治具、電纜、連接器和混頻器上的頻率響應進行測量。採用遠端擴展頭端,有助於消除這些問題。

模組化儀器實現快速多天線系統測試

為了提高頻譜效率和覆蓋範圍,5G採用了MIMO和波束成形概念。在進行設計驗證時,多天線RF系統增加了測試設置的複雜性,導致必須花很長的時間才能實現適當的同步。在製造階段,關注焦點在於確保每個通道都能正常工作,因而會單獨對所有的通道進行測試。

NEM需要理想的測試解決方案,不僅可對DUT執行快速測試,並能在從4~8埠4G裝置過渡到具有16、32、64或128個通道的5G裝置時進行擴展。他們需要支援多通道和多站點測試並具有高傳輸速率的解決方案。例如,是德科技(Keysight Technologies)的向量收發器(VXT),在一個雙插槽的PXIe模組中整合了向量訊號產生器(VSG)和向量訊號分析儀(VSA)。18插槽的PXI機架最多可以容納4U尺寸的8個VXT模組。採用軟體和硬體加速的測量還可以在具有多種通道和無線格式的功率和頻率範圍內最大限度提高測試速度。

當為你的5G製造測試選擇測試解決方案時,請查看訊號產生並分析頻寬容量、輸出功率、相位雜訊、振幅精度、EVM和ACLR性能、自動化特性、校準以及這些解決方案所需的佔位空間,謹慎地考慮它們在這種環境下的有效性。

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圖3:5G NR測試設置,針對採用多天線配置的多頻段待測物(DUT)。

縮小驗證與製造差距 加快產品上市

在5G製造過程中,工程師面對著巨大的技術挑戰,這些挑戰主要體現在更高成本以及延長上市時間。測試解決方案的可擴展性、佔位空間和RF性能對於同時覆蓋FR1和FR2頻率、擴展到高階MIMO並降低誤報概率十分關鍵。

但是,如果採用一種總體策略來縮小整合和驗證到量產製造之間的差距,就能加速這個轉變過程,從而帶來競爭優勢。通用的應用程式介面(API)由於促進整合於製造系統而發揮效用,而通用軟體則有助於大幅減少開發工作,加快產品上市時程。同樣地,一致的測量演算法和通用硬體可以在整個產品生命週期中提供資料關聯,從而有助於縮短轉變時間,加快故障除錯速度。

「害怕被征服的人註定失敗」

5G的測試成本挑戰絕非噱頭。更多的頻段、更寬的通道頻寬以及複雜的多天線配置,都可能大幅增加測試成本,因為它需要使用更高性能的儀器,也需要更長的測試時間。但是,NEM可以和測試與測量供應商合作,藉由其提供創新的解決方案來因應5G帶來的技術複雜性,同時控制其對成本和時間的影響,從而有效地克服這些挑戰。正如軍事家拿破崙(Napoleon Bonaparte)所言:「害怕被征服的人註定要失敗」。(He who fears being conquered is sure of defeat.)不要讓5G的複雜性妨礙了邁向市場領先地位之路。

(參考原文:5G manufacturing: Overcoming gNB test challenges,by Jessy Cavazos)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2020年1月號