5G毫米波是否真的改變了芯片測(cè)試

眾所周知，目前全球采用兩種不同頻段部署5G網(wǎng)絡(luò)，即3GPP劃分的FR1頻段和FR2頻段，其中FR1頻段范圍為450MHz-6GHz，最大帶寬100MHz，被稱為Sub-6GHz頻段；FR2頻段范圍為24.25GHz-52.6GHz，最大帶寬400MHz，被稱為毫米波頻段，兩者共同組成了5G頻段。

5G改變了什么？

為了充分利用頻譜資源，5G在系統(tǒng)中引入了眾多針對(duì)新應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了高度優(yōu)化的技術(shù)，例如網(wǎng)絡(luò)切片、頻譜共享和共存、聚合帶寬高達(dá)1GHz的載波聚合、大規(guī)模MIMO和天線陣列系統(tǒng)、以及固定無(wú)線接入，小型基站和毫米波技術(shù)等等。

這直接導(dǎo)致5G射頻前端模塊（RF FEM）所需要的功率放大器（PA）、濾波器（Filter）、開(kāi)關(guān)（Switch）、低噪聲放大器（LNA）和天線調(diào)諧器（Tuner）的需求量倍增。此外，5G智能手機(jī)開(kāi)發(fā)商還擔(dān)心RF器件的質(zhì)量、散熱和能效問(wèn)題，以及如何將所有這些RF模塊全部塞到一部5G手機(jī)里。

以大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）技術(shù)為例，5G終端產(chǎn)品中的天線數(shù)量相比于4G終端成倍增加，終端設(shè)備中天線數(shù)量可能是32個(gè)、64個(gè)，在基站中可能會(huì)達(dá)到512、1024個(gè)。

之所以使用大規(guī)模天線陣列，原因在于天線的輻射方向是通過(guò)設(shè)計(jì)固定的，通常很難控制或改變它，除非改變天線的幾何形狀。而在5G中，相控陣天線則使用波束成型技術(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)控制輻射方向，實(shí)現(xiàn)方式主要包括以下4種：

由多個(gè)天線在同一時(shí)間以同一頻率輻射而成。

輻射方向由每個(gè)天線單元波的矢量疊加

相控陣可以通過(guò)控制陣列中每個(gè)天線單元的相位來(lái)控制其輻射方向

天線單元越多，天線孔徑越大，主瓣增益越大，波束越窄

同時(shí)，這也使得天線封裝技術(shù)AiP（antenna-in-package）逐漸受到重視。Yole Development的數(shù)據(jù)顯示，AiP模組于2019年開(kāi)始產(chǎn)生銷售，預(yù)計(jì)到2025 年市場(chǎng)空間將達(dá)到13億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為68%。

再以高通最新發(fā)布的第4代高通毫米波天線模組為例，該模組支持比前代產(chǎn)品更高的發(fā)射功率，支持包括n259（41GHz）新頻段在內(nèi)的全球所有毫米波頻段，但卻同時(shí)保持了與前代產(chǎn)品一樣緊湊的占板面積。

另一個(gè)特別值得關(guān)注的，是毫米波技術(shù)的引入。

由于采用了毫米波頻段和正交頻分復(fù)用（OFDM）波形，再加上新興的先進(jìn)傳輸方法，使得5G新無(wú)線（NR）的空中接口不但與以往幾代的移動(dòng)通信完全不同，也使得毫米波芯片結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，涵蓋基帶、DAC/ADC、IF、波束成形、不同的射頻前端、天線等多個(gè)復(fù)雜組件。

數(shù)據(jù)顯示，2020年之后，5G手機(jī)上僅與毫米波相關(guān)的IC數(shù)量就達(dá)到了9-15顆，而為了支持10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，手機(jī)中還增加了貼片天線陣列。因此，對(duì)測(cè)試工程師來(lái)說(shuō)，他們面對(duì)的挑戰(zhàn)注定非比尋常。

這意味著，為達(dá)到 0 DPPM的質(zhì)量水準(zhǔn)，測(cè)試人員不但要控制質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，還需要進(jìn)行更多功能測(cè)試，包括增加prober和模組端的功能測(cè)試、可以檢測(cè)由于上游模組質(zhì)量或者裝配導(dǎo)致的故障、面對(duì)5G的豐富應(yīng)用場(chǎng)景，提供多樣化的測(cè)試用例、以及進(jìn)行特性測(cè)試用以揭示失效機(jī)制。

毫米波頻段測(cè)試的重要技術(shù)

5G毫米波手機(jī)架構(gòu)由基帶芯片、中頻芯片和毫米波射頻芯片組成。三者配合完成基帶信號(hào)到中頻再到毫米波的轉(zhuǎn)化，中頻芯片的頻率范圍一般在6-15GHz，毫米波芯片一般工作在24.25-52.6GHz的毫米波頻段。

毫米波中頻和射頻芯片的測(cè)試項(xiàng)目，和典型RF收發(fā)器（transceiver）芯片類似，主要的測(cè)試項(xiàng)目仍然是線性度和靈敏度以及直流/DFT（BIST/Scan）等。

在傳統(tǒng)的3G、4G測(cè)試中，芯片中的多個(gè)測(cè)試端口都是通過(guò)射頻線纜與測(cè)試儀表接口連接開(kāi)展RF測(cè)試。然而在5G測(cè)試中，不但出現(xiàn)了大規(guī)模天線陣列，而且天線和芯片通過(guò)封裝已經(jīng)合成一體，測(cè)試時(shí)無(wú)法直接接觸到模組里的每一個(gè)器件。

此外，測(cè)試對(duì)象也不僅是天線，而是整個(gè)系統(tǒng)，由于天線和射頻器件增多，測(cè)試空間日漸狹小，使得業(yè)界開(kāi)始紛紛嘗試OTA（Over The Air）測(cè)試。

OTA測(cè)試也被稱作“空口測(cè)試”。眾所周知，天線是信號(hào)到自由空間的轉(zhuǎn)換器和接口，大天線封裝孔徑一般大于1/2波長(zhǎng)，小天線一般小于1/2波長(zhǎng)。由于電磁場(chǎng)的特性與天線的距離密切相關(guān)，所以天線測(cè)試一般又分為近場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。

進(jìn)一步細(xì)分的話，場(chǎng)區(qū)又會(huì)被分為“反應(yīng)區(qū)”和“輻射區(qū)”，反應(yīng)區(qū)里電場(chǎng)和磁場(chǎng)的能量最強(qiáng)，電磁波相對(duì)較弱；遠(yuǎn)場(chǎng)基本是真正意義上的電磁波輻射了，輻射形式不會(huì)隨著距離改變，它在大氣中以3億米/秒的速度傳播， 兩者之間被稱之為“過(guò)渡區(qū)”。

實(shí)驗(yàn)室中毫米波的測(cè)試需要在吸波暗室中進(jìn)行， 測(cè)試設(shè)備主要包括RF測(cè)試設(shè)備和吸波暗室，前者主要包括信號(hào)發(fā)生器，頻譜儀和矢量分析儀等，暗室使用CATR（緊湊場(chǎng)）還是DFF（直接遠(yuǎn)場(chǎng)）一般根據(jù)波長(zhǎng)來(lái)決定。此外，實(shí)驗(yàn)室一般還會(huì)進(jìn)行波束成型測(cè)試和溫度測(cè)試。泰瑞達(dá)旗下的LitePoint儀表可以為毫米波測(cè)試提供完整測(cè)試方案。

而如果走出實(shí)驗(yàn)室，面對(duì)UE（用戶設(shè)備）的制造測(cè)試時(shí)，流程將主要包括以下三部分：

1.SMT PCBA的校準(zhǔn)和測(cè)試；

2.毫米波模組的校準(zhǔn)和測(cè)試；

3.最終成品的測(cè)試驗(yàn)證。

但顯然，真正待測(cè)的5G設(shè)備不會(huì)只有區(qū)區(qū)幾臺(tái)，未來(lái)幾年內(nèi)將有數(shù)十億臺(tái)5G設(shè)備面世，這就使蜂窩無(wú)線設(shè)備的大批量生產(chǎn)測(cè)試比以往更加復(fù)雜，如果不精打細(xì)算，無(wú)線測(cè)試的成本將會(huì)進(jìn)一步提升。因此，5G毫米波芯片在量產(chǎn)中的測(cè)試策略，主要包括如下流程：

1. 晶圓測(cè)試：需要使用到ATE和探針臺(tái)。主要包括CW毫米波功能測(cè)試，DC/Digital/BIST和5G RAN三溫測(cè)試等。主要目的是在早期階段驗(yàn)證芯片性能，最大限度幫助提高良率；

2. 天線封裝模塊測(cè)試（AiP 或 AoB）：主要包括毫米波天線的X-RAY檢測(cè)，AiP和AoB天線的裝配良率測(cè)試和不同頻帶的多單元測(cè)試。要求毫米波天線裝配0 DPPM。

3. OTA模塊連接測(cè)試：需要使用到ATE Handler。OTA模塊的測(cè)試需要高質(zhì)量的Socket來(lái)滿足毫米波的測(cè)試需求。主要包括偶極子天線和貼片天線的連通性測(cè)試，有限的功能測(cè)試和多單元測(cè)試。要求保證毫米波天線輻射性能0 DPPM。

4. OTA模塊功能測(cè)試：需要使用到OTA的Socket或者屏蔽盒。主要包括OTA遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)測(cè)試，完全的功能測(cè)試，遠(yuǎn)場(chǎng)的波束成型測(cè)試（驗(yàn)證corner芯片的遠(yuǎn)場(chǎng)性能），5G RAN的多單元和三溫測(cè)試。保證了毫米波模塊的功能指標(biāo)0 DPPM。

5. 系統(tǒng)板上OTA測(cè)試：屬于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。需要OTA遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，完全的功能測(cè)試，波束成型和多單元測(cè)試，這一環(huán)節(jié)中可以寫入校準(zhǔn)參數(shù)。保證了毫米波模塊和天線的整體性能達(dá)標(biāo)。

6. 最終成品OTA測(cè)試：也是系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試。需要進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，完全功能測(cè)試，所有載波單元的EVM測(cè)試，波束成型校準(zhǔn)，載波聚合測(cè)試 和5G RAN的多單元和三溫測(cè)試。保證毫米波和天線的整體性能，寫入最終的校準(zhǔn)參數(shù)，確保0 RMA。

其中，CP測(cè)試、OTA連通測(cè)試和最終成品OTA測(cè)試，是大規(guī)模量產(chǎn)中必須包含的。泰瑞達(dá)的UltraFlex 毫米波板卡和LitePoint IQgig5G在不同的測(cè)試階段可以提供相應(yīng)的毫米波測(cè)試解決方案。

泰瑞達(dá)提供的UltraWaveMX44和UltraWaveMX20板卡只需使用測(cè)試設(shè)備中的單個(gè)插槽，可以基于安裝基數(shù)很龐大的UltraWave24測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升級(jí)。進(jìn)行升級(jí)時(shí)也無(wú)需調(diào)整系統(tǒng)配置，因此可實(shí)現(xiàn)利用同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)完成對(duì)4G和5G毫米波芯片的測(cè)試，從而能夠?qū)⑿屡d毫米波應(yīng)用的半導(dǎo)體器件更快推向市場(chǎng)。

結(jié)語(yǔ)

5G，尤其是毫米波時(shí)代的來(lái)臨，正在改變傳統(tǒng)的芯片測(cè)試場(chǎng)景。它要求ATE機(jī)臺(tái)既要具備從OTA測(cè)試、天線陣列測(cè)試到覆蓋Sub-6GHz和毫米波全頻段的測(cè)試能力，又對(duì)上市時(shí)間、測(cè)試成本和測(cè)試指標(biāo)提出了更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。作為全球領(lǐng)先的測(cè)試廠商，泰瑞達(dá)正與生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴一起，針對(duì)5G無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)最新設(shè)備的特性分析和量產(chǎn)測(cè)試，打造全面解決方案。

編輯：jq