5G时代，使用的频率更高——毫米波频段；带宽更宽——数百兆；设备更加庞大——MIMO/多天线。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靠于更快、更具成本效益的测试系统来应对这些挑战。

一波形變得更寬且更複雜

3GPP一直以来致力于制定和发布倾覆性且极具挑战性的5G规范。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/下行链路的安排信息、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和离散傅里叶改换扩频OFDM(DFT-S-OFDM)方案，的确取决于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膨胀器的功效和能效。另外，考虑到信号在毫米波和低于10GHz频率下有着不同传播和反照行为，5G标准规定了在两种不同基本频段的操作。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100MHz，载波聚合频率高达400MHz。而FR2信号的频率最高可达52.6GHz ，仅可在TDD模式下运行，同时单信道带宽高达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。没多久之后，规范也许会将这一聚合带宽提高至超过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、發布和生成适合標准上行鏈路和下行鏈路信號方面面臨著新的挑戰，因爲這些信號相比以往具有更多配置、選項和更寬的帶寬。選擇适合5G標准的工具，生成和分析所需的波形，並在不同測試台之間共享這些波形，以充分分析DUT的特征。

二儀器必須是寬帶且線性的，同时必須能夠經濟高效地覆蓋廣泛的頻率範圍

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，即超越20Gb/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400MHz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。

图1 5G新空口的频率范围

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，但對于面向大衆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台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台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批測試平台，這些測試設備應具備以下特點：高度線性化；在極大的帶寬範圍中，具有緊密的幅度和相位精度；低相位噪音；廣泛的頻率覆蓋範圍，適用于多頻段設備；能夠使用其它無線標准測試是否共存。爲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台來覆蓋較寬的頻率範圍。

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台。選擇不僅能夠與當前標准共存，還能隨著適應未來變化的儀器。

三組件特征分析和驗證需要更大批測試

5G的初始部署也许采用非独立组网模式(NSA)，在这种模式下UE仍需要依靠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。

未來的NR規範將納入未授權頻譜的輔助授權接入(LAA)技術，作爲聚合輔助信道。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。

同样地，当UE包含适合各种标准的多个无线电收发器时，工程师必须进一步注目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妨碍5G NR设备的灵敏度。

图2 WLAN带外泄露导致的5G NR减敏现象

工程师在开发开枪/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，当系统驱动开枪功率膨胀器(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膨胀器(LNA)所引入的这些效应。另外，移相器、可变衰减器和增益控制膨胀器以及其他器件的容差也许导致信道之间的相移不均匀，从而妨碍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通信组件进行特征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。这关于需要对带宽为100、200和400 MHz的5G信号进行预失确实测试设备来说是一个很大的挑战。

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(power amplifier modules with integrated duplexer，带集成双工器的功率膨胀器模块)进行特征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，有时也许需要并行测量不同的组合。另外，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，需要笼罩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。另外，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。

解决思路：确保您的测试系统能够处置多频带和多通道5G设备，以满足波束成形器、FEM和收发器的需求。处置6 GHz以下的宽信号以及毫米波频率的信号需要分析和验证RF通信组件的性能。工程师不仅要测试创新的多频带功率膨胀器、低噪音膨胀器、双工器、混频器和滤波器设计，还要确保通过改进的新型RF信号链能够支持同时操作4G和5G技术。另外，为了幸免传播时出现大批损耗，毫米波5G测试系统还需要波束形成子系统和天线阵列，这就需要快速可靠的多端口测试解决方案。

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，接着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容量并减少开枪过程中的能量消耗。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克制同信道干扰，从而确保高吞吐量。

圖3  通過波束成形實現空間複用

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路徑進行特征分析和驗證，但由于管理和測試數十甚至數百個連接會增加複雜性和成本，占用較大的物理空間以及引入更高的插入損耗，許多波束成形系統也许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征分析的測試系統。

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測試系統來准確測試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特征分析和驗證測試。

解決思路：OTA測試技術能夠在快速精准地控制運動的同時進行RF測量，讓您可以在預期的時間內准確地分析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。譬如，發射功率膨胀器進入壓縮區時，會産生幅值和相位失真及其他熱效應，而接收路徑的LNA並不會産生這些現象。另外，移相器、可變衰減器、增益控制膨胀器和其它器件的容差也许導致通道間的相移不雷同，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。

五批量生産測試需要測試系統能夠快速、高效地進行擴展

无论是实验室依然生产车间，5G新空口设备的宽前端模块、PA和其他RFIC在进行特征分析和验证时始终面临着一些挑战。关于工程师来说，测试FR1和FR2中的高带宽信号、笼罩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，基本上更艰难的挑战。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花费。工程师正在寻找实用的方法来部署低成本、高功效且高吞吐量的5G生产设备测试系统。

盡管OTA測試設備的需求已存在數十年，主假如在相控陣雷達等國家部委應用中，但許多工程師仍然對使用大型電波暗室來滿足更高産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暗室已然成爲OTA測試解決方案的需要組件。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，並具有足夠的裕量和可重複性。然而，對于批量生産來說，傳統的微波暗室會占用大批的生産空間，並增加資本支出。 

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。尽管测量天线距离 DUT IC 只有几厘米，但是关于每个天线元件的远场测量来说，那个距离差不多足够。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。只是，小型测试插座存在反照问题，反照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，从而提高测试履行速度。

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和天线之间偏偏10 cm的距离也会导致自由空间路径损耗超过30 dB(包括开枪和接收天线的增益)，而如果使用同等长度的同轴电缆，损耗仅为1 dB左右。关于接收机IP3测量，OTA方法要求测试仪器在开枪天线处生成高出30 dB的输出功率，才能在DUT处获得同等水平的接收功率。这关于基于RF暗室的OTA配置来说也许是一个挑战，而关于位于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。

另一種OTA測試方法是生産測試系統采用更長的RF機箱。DUT會使用整個天線陣列，啓用波束成形功能，而不是單獨使用每個天線單元，並在關鍵波束成形方向上尋找聚合RF性能。這裏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。在初始生産階段，供應商可以運行完整的參數OTA測試，然後在批量生産時切換到一部分測試。

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，并能够扩展笼罩范围，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所界说的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。

解決思路：選擇一個可將實驗用5G儀器擴展到生産現場的ATE平台，簡化特征分析和生産測試之間的數據關聯。新型5G應用和铅直行業的需求不斷增長，使得制造商每年需要生産的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准新設備的多個RF路徑和天線配置，並提高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複性。但是，對于RFIC的批量生産，傳統的RF暗室會占用大部分的生産廠房空間，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。爲了解決這些問題，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），這些中文产品大幅減少了半導體OTA測試所需的占地空間。