5G 5G NR RF OTA MU-MIMO mmWave

高頻陣列封裝天線超複雜 OTA測試解5G開發挑戰

2019-02-12
從行動通訊開始發展之際,測試工程師即反覆進行受到廣泛認可的量測作業與應用相關技術,以執行大量無線通訊技術測試,諸如RF半導體、基地台與行動電話等,皆包含在內。但是有了5G技術後,這類無線裝置中使用的技術將益發複雜,因此需要重新考量過去針對測試前幾代裝置而進行高度最佳化的技術。為了驗證5G技術的效能,需要使用OTA(Over the Air)方法來測試5G元件與裝置,而非透過目前所使用的接線式方法。工程界領導廠商也正積極使用全新的測試方式,以確保5G產品與解決方案在眾多產業與應用中能夠確實商業化。

拓展頻寬

由於使用者對資料的需求持續攀升,因此5G標準的關鍵目標之一是要大幅提升資料容量;但若要達到每位使用者峰值頻寬為10Gbps的目標,就需要導入新技術。首先,5G規格包含多使用者MIMO(MU-MIMO)技術,這可讓使用者透過波束成形技術同時分享相同頻段;波束成形技術可為每位使用者建立專屬且集中的無線連線。接下來,5G標準增加了無線頻譜,將範圍拓展至厘米波與毫米波(mmWave)頻率。實際實作MU-MIMO與mmWave技術時所需使用的天線元件數量,大幅高於前幾代行動通訊標準中所使用的數量(圖1、2)。

圖1 5G技術發展之際,無線裝置測試將益發複雜,因此需重新思考過去針對測試前幾代裝置而進行高度最佳化的技術。
圖2 5G標準的關鍵目標之一是要大幅提升資料容量,若要達到每位使用者峰值頻寬為10Gbps的目標,就需要導入新技術。

物理法則指出,相較於目前行動通訊頻率下的訊號,mmWave頻率的訊號在經過開放空間時會更快速地衰減。因此在相似的傳輸功率層級下,mmWave行動通訊傳輸的範圍會遠小於目前的行動通訊頻帶。為了解決前述的路徑損耗情況,5G傳輸器與接收器會使用同時運作的天線陣列,並利用波束成形技術提高訊號功率,而不是像現有裝置僅在每個頻帶中使用單一天線。

如何將這些所有天線納入未來的行動電話中?幸好,相較於在目前標準下所使用的行動通訊天線,mmWave頻率的天線小巧許多。像是封裝天線(AiP)等全新封裝技術,讓工程師能更輕鬆地將這些天線整合至現代智慧型手機的有限狹小空間內;但如此一來,天線陣列就可能會完全封入裝置內,沒有可直接接觸的測試接點(圖3)。

圖3 5G通過主動式天線陣列實現MU-MIMO功能。

使用OTA解決新挑戰

對測試工程師而言,增加的頻率、新的封裝技術與數量更多的天線,意味著難以在保有高品質之際,同時避免資本設備成本(測試設備成本)與作業成本(測試每個裝置的時間)攀升。新的OTA技術有助解決這些問題,但也同樣帶來挑戰。第一項難題是量測準確度。

不同於接線式測試,由於天線校準與準確度、治具設備容錯範圍與訊號反射等因素,讓測試工程師在進行OTA量測時,需因應額外的量測不確定性。第二項難題,則是必須將新量測作業整合至裝置測試計畫中,以進行電波暗室整合、波束特性驗證、最佳編碼簿計算與天線參數特性參數描述作業。第三項難題是,隨著RF頻寬持續增加,在這些大頻寬中進行校準與量測的處理需求亦隨之漸增,因此測試時間延長的問題也益發令人擔憂。最後一項難題是,測試管理人員必須做更多商業考量,以在確保產品品質之際,盡量不對上市時間、資本成本、作業成本與樓面空間(為了容納OTA室)造成影響。在接下來數年間,測試與量測業界將會使用眾多創新方式迅速回應前述挑戰。測試團隊應考量高靈活度的軟體定義測試策略與平台,藉此確保目前的資本支出能跟上如此快速的創新週期步調。所幸雖然OTA帶來了挑戰,但同時也帶來優點。

首先,OTA是唯一適合AiP技術的選擇,因為天線陣列會整合至封裝內,不會直接以連接線連接至陣列元件。即使測試工程師能使用傳統測試方式接觸個別天線元件,仍會面臨困難抉擇,必須決定要採用平行測試(需使用較多儀器,因此會產生資本支出)或序列測試(會產生測試時間與產能方面的作業支出)。雖然現在尚有許多技術問題需要解決,但是OTA測試提供了以系統而非以一組獨立元件來測試陣列的方式,可望更為提升系統層級測試的效率。

過去,測試設備供應商與測試工程師曾起身迎接挑戰,在對更高效能與複雜度進行測試之際,力求將上市時間與測試成本壓至最低;現在,他們也會以相同態度因應5G技術的挑戰。雖然目前5G技術測試的挑戰看來複雜,但是全球工程師皆已著手開發新的測試儀器與OTA等新測試方式;5G技術要在商業上獲致成功,這些工具與技術都不可或缺。

(本文作者為NI商務與科技研究員)

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