5G射频前端、基站、终端的测试难点分析

潘建安

1 射频前端、基站、终端的测试动向

NI早在十几年前就入局5G，跟实验室、研究所、大学等合作研究。在晶圆、射频前端（功率放大器PA、射频开关、天线调谐器、低噪声放大器LNA等）、基站及终端领域，NI与行业领先厂商均有合作。

.射频前端：5G对射频模块产业的影响将是系统而全面的，无论是集成度、材料、工艺、封装都将发生变革。射频前端芯片厂商正在逐步实现从Sub 6GHz到毫米波频段的部署，随着频段的提升，射频前端电路需要适应更高的载波频率，更宽的通信带宽，更高更有效率和高线性度的信号输出功率。为实现更低的成本、更高的性能和更小的尺寸，射频前端的集成化和模组化是必然趋势。

.基站：随着5G商用化进程的加快，5G基站端需求呈现井喷现象。在5G时代， “宏基站为主，小基站为辅”的组网方式是未来网络覆盖提升的主要途径。从4G到5G基站侧天线数越来越多，基站总功率也随之增加，5G基站广泛使用大规模天线（Massive MIMO）和波束成形技术（Beamforming）技术，来提升终端信号接收强度。这对半导体材料提出了更高的要求，砷化镓（ GaAs）、氮化镓（GaN）等由于能源效率提高、功率密度更大的特点，是代替LDMOS的备选。

业界希望把天线阵列尺寸做得更大，尺寸越大，它在空间解析的灵活度就越大，由于天线阵列的特点，分散到每一个阵列上的单一天线上所必须的发射/接收的功率缩小。此外，在基站的部分也因为导入毫米波之后，无论是带宽还是后端的信息量都会变大，基带的测试速度也要随之提高。

射频器件的封装形式也发生了变化，5G时代天线将以AiP（ Antenna in Package）技术与其他零件共同整合到单一封装内。AiP指的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技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的趋势，兼顾了天线性能、成本及体积，非常适应5G时代的要求。

.终端：5G终端产品如手机中的天线和射频器件的集成方式和数量均发生了变化，5G手机支持下行链路4x4 MIMO，上行链路2×2 MIMO，而4G手机大部分仅支持2×2 MIMO，总而言之，5G终端设备中射频前端用量将翻倍，4x4 MIMO需要4根天线和4个独立的RF通道，4x4 MIMO普及意味天线数量、PA、LNA、滤波器、射频开关等器件用量翻倍增加。同时，终端产品射频器件集成化的要求越来越高，同时也提出了低功耗和小尺寸的要求，此外，激烈的市场竞争要求终端厂商必须缩短开发周期加快产品上市时间。

2 测试的痛点及Nl的对策

1） OTA（空口）测试。由于毫米波、大规模天线技术以及新的AiP天线封装技术的引入使得无线设备集成度提高，无法用线缆单独对待测件进行测试，因此必须采用OTA测试方法。OTA测试系统的核心部分包括测试暗室、转台定位设备、用于生成和分析信号的测试仪器、测量天线，以及用于测量自动化的控制和报告软件。由于在空气中毫米波功耗衰减得快，测试仪表也必须能够输出更大的功率或者是接收更小距离的待测件通过空口打到测试仪表这边，再收进来测。所以仪表也必须要能够有更好的灵敏度，才有办法解析待测件出来的信号，在这种情况下，空口之间的校准就非常重要。NI提供灵活且可扩展的OTA测试系统，以帮助厂商解决如下测试难题。

.通过连续扫描3D空间，将OTA测试时间从数小时缩短至几分钟，并使用PXI平台实现DUT定位器与射频生成和分析引擎的緊密同步。

.借助无噪声的射频消音室和经过适当特性分析的静区，获得可靠的OTA测量数据。

.借助毫米波矢量信号收发仪来验证AiP DUT的高带宽波束形成性能，该收发仪支持所有3GPP信道带宽和符合5G标准的波形。

.利用NI的毫米波OTA验证测试软件，轻松配置各种空间扫描，以对DUT天线方向图进行特性分析，同时可快速生成、查看、存储或分配详细的参数结果。

2）大功率基站测试问题。随着功耗的增加，单独的仪表不能完成所有的测试，有一种方法是通过外加功放和衰减器的方式，但外挂设备太多会导致占地面积过大，还需要工程师花费时间手动校准。特别是到了毫米波部分，毫米波对温度比较敏感，细微的温度变化对测量参数会有很大的影响。NI的解决方案会把测试头放到了离待测件最近的地方，测试头里面已经做好对温度的校准补偿，用户不需要顾虑这些问题。

3）可扩展的自动化测试系统：从Sub 6 GHz到mmWave频段，5G更大的带宽让组合测试项增加，繁重的测试任务需要花费大量的人力和时间，省时省力省钱的自动化测试势在必行。NI为客户打造的自动化测试，能够将测试时间缩短30%-40%。而且，从实验室到量产的测试可以用同样的设备，这就避免了不同的测试设备之间测试的数据不一致的问题，验证两套的数据通常需要花费1个月的时间，使用NI的测试系统，用户可以大幅度将这个时间缩短到4天-1周。另外，5G的标准在持续演进，还有很多新的标准和协议要加入进来。现在的测试设备要满足对未来的测试需求，可扩展的5G测试系统非常关键。

4）从Sub 6 GHz到mmWave频段，需要“弹性”的测试系统。从Sub 6 GHz到mmWave频段的信号链的架构，不同厂商各有不同。如图1所示，有些厂商的射频前端可能就只包括到PA的部分，有些包含了上下变频器。在测试方面，就有射频进中频出，射频进射频出，中频进中频出等众多可能性。因此，针对测试架构的测试系统必须能够“弹性”的配置。

毫米波设备从实验室到量产的测试需要一套高度集成的测试方案。为应对毫米波端的测试，NI推出了mmWave VST（NI毫米波矢量信号收发器），该产品沿袭了NI VST家族高集成度的风格，结合了射频信号发生器、射频信号分析仪和集成开关，该产品从提高测试速度与提供量产级别的高性能测试系统两个方面，帮助5G设备厂商加速研发。