破解从4G到5G的测试挑战

马健锐

1 5G的测试挑战

4G及更早期的移动通信制式，工作频段都在3 GHz以下，最大单载波带宽不超过20 MHz，业界对3 GHz以下的器件和材料有较多的研究和技术储备，器件的工艺及技术性能基本上可以满足大规模商用的需求。为了满足5GKPI和用户场景的需要，5G引入了更多新频段。3GPP 5G NR}旨定的FR1频段包括（460-7 125） MHz，2019年11月召开的世界无线电通信大会（WRC-19）分配给5G FR2的频谱包括（24.25-27.5） GHz， （37-43.5） GHz， （45.5-47） GHz，（47.2-48.2） GHz和（66-71） GHz。这些频谱的分配为5G实现其三大应用场景奠定了落地基础。

在我国，工信部批复了（24.75-27.5） GHz和（37-42.5） GHz作为高频试验频段，我国当前正在进行的IMT2020 5G增强技术试验也已经开始面向预商用级别的毫米波基站、毫米波终端芯片的相关测试工作。

按照目前的行业水平，一款芯片或器件从立项到商用大约要5-6年时间。由于5G新频段的引入，应用于这些新频段的芯片、器件的市场需求、技术储备、工艺水平、产品性能、量产能力等方面有许多不确定性和技术瓶颈，亟待行业突破。从3GPP 5G NR关于FR2方面的测试标准的完善程度可以一窥端倪。

5G高频器件的产品形态相对于低频发生了改变，器件呈现芯片化、集成化、小型化的趋势，对高频器件的系统设计、制造工艺、装配和测试技术提出了更严格的要求。例如毫米波天线已经采用了芯片化的封装，天线与有源的射频前端器件集成在一起，已经不能使用传统的传导测试方法进行测试，转而采用不确定度更大的OTA测试方法。而射频前端FEM类似，频率高、大带宽，有多种不同的功率覆盖需求，CMOS由于噪声系数、输出功率的相对劣势，已经不能一统江湖，业内已经引入砷化镓、氮化镓、SiGe等半导体制造工艺。由于5G新频段以及Massive MIMO的引入，5G设备中会加入更多数量的滤波器。传统SAW、BAW工艺的滤波器的性能极限由于覆盖不到24 GHz以上的频段，面向毫米波频段的滤波器目前仍有若干种可选工艺方案正在探究。

总之，5G中高频段器件除了保留了大部分低频段器件的测试需求以外，由于自身产品形态和工艺路线发生了改变，测试可行性的问题也伴随发生，测试方法需要相应改变，测试难度和不确定度相应增加。

2 工程师开发时的痛点

5G的器件类型十分众多，有众多分类方法，例如分为集成电路、分立器件，或者分为无源器件、有源器件，按照端口数目，分为单端口、二端口、多端口器件等。以收发信机（图1）为例，无源器件包括：电感、电容、传输线、电缆和接头、滤波器、功分器、耦合器、天線、环形器、隔离器、开关、移相器等。有源器件包括：功放、低噪放、混频器、调制器、振荡器等、ADC、DAC等。

不仅器件种类多，而且每种器件都有相应的测量方法，测试的标准和指标也不尽相同，表1列出的几种类型的测试指标及其对应测试工具。

可以看到，产品和器件的研发过程中测试需求多，测试场景复杂，测试挑战很多。以功放PA EVM测试为例，针对5G毫米波和大宽带PA的EVM测试与传统的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和大带宽信号本身信噪比就不高，由测试仪表和测试附件所引入的残余EVM，会严重影响测试结果的可信度，测试工程师需要清楚了解误差来源，调试校准测试系统到最小的不确定度。还有一种场景也经常出现，1个器件的测试通常会包括很多参数的测量，一般情况下需要多次插拔连接多种测试工具，测量过程繁杂且容易出错，经常可见被测件多次插拔后损坏的现象。例如载片测试，测试工程师需要尽可能1次连接完成多个测量。再举一个常见的例子，例如天线等多端口器件的测试。5G天线通常是以天线阵形式存在，传统单端口天线或者LTE天线需要简单测驻波、隔离、回波损耗参数等，而5G天线阵列的1个子阵就有多达几十个天线阵子，需要测试工具能够自动测试高达32个天线阵子之间的耦合、隔离、驻波等参数。

3 是德的解决方案

是德科技的5G测试解决方案为客户提供从研发、验证到部署的全工作流程测试工具，满足客户从L1物理层到L7应用层的测试需求。是德科技5G测试解决方案，被全球移动运营商、系统设备厂家、芯片厂家、手机厂家广泛使用，加速了第一波商用5G网络和5G智能手机的浪潮，是德科技的先进技术和丰富经验协助客户提供品质卓越的5G移动通信产品和服务。与客户紧密的合作，不仅加速了5G创新和商用，同时使是德科技的解决方案很好地保持技术的先进性和前瞻性。

是德科技主要的5G端到端解决方案如图2所示。