首款5G手機熱銷的背後：需要攻破這些5G關鍵難關

摘要：今天（8月16日）上午10點，華為首款5G手機Mate 20 X 5G版正式開售。其中天貓作為Mate 20 X 5G版發售的第一陣地，僅一秒就售罄了，足見Mate 20 X 5G的受歡迎程度。

7月26日，華為正式發布了旗下首款量產上市的5G智能手機——Mate20 X 5G版，定價為6199元，並於當天開售接受預約。而截至8月15日中午12點，華為Mate 20 X 5G版的預約量已突破100萬台。

今天（8月16日）上午10點，華為首款5G手機Mate 20 X 5G版正式開售。其中天貓作為Mate 20 X 5G版發售的第一陣地，僅一秒就售罄了，足見Mate 20 X 5G的受歡迎程度。

特別值得一提的是，Mate 20X 5G版是世界唯一商用搭載雙7nm 5G終端晶元模組、唯一商用支持SA/ NSA 5G雙模、首個中國5G進網許可證、首個泰爾5G通信能力五星證書、首個GCF 5G能力認證證書的手機。

華為終端手機產品線總裁何剛強調，5G時代華為擁有領先的端到端5G研發與產品能力，包括5G演算法、5G終端晶元、5G手機、5G CPE、5G無線設備、5G傳輸設備、5G核心網和5G雲服務與內容等。而華為在擁有這些5G能力的背後則需要解決非常多的技術挑戰。

為進一步提高頻譜效率、克服傳播損耗等問題，5G大規模天線基站普遍採用波束成形技術。基站要通過波束掃描找到手機，然後手機和基站之間通過業務波束信號建立業務交互。這是一個很吸引人的設計，當然實現起來也是非常複雜的。波束使用同頻還是異頻，波束參數，信號質量、端到端性能，OTA射頻性能等看起來簡單幾個問題，其實從系統設計與模擬階段就要考慮進來，一個成功的系統設計能夠顯著降低產品生命周期各階段的風險。

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新頻段、更高帶寬和新波束成形技術為5G設計和測試帶來了嚴峻挑戰！

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無線測試大規模MIMO和波束成形

在大規模的MIMO系統中，基站天線的數量遠超用戶終端的數量。因此，5G標準納入了多用戶MIMO(MU-MIMO) 技術，其中基站向有源天線系統饋送預編碼信號，然後在空間上將多路同步數據流發送給多個用戶，用戶端的每個接收器均可選擇其所需的數據流。為了實現該空間多路復用，gNB需要將輻射能量通過波束成形技術集中至各個接收器。基於波束成形技術，工程師可以實現MU-MIMO，以提高gNB容量並減少發射過程中的能量消耗。

圖：通過波束成形實現空間復用

隨著5G商業化的逐步實現，由於管理和測試數十甚至數百個連接會增加複雜性和成本，佔用較大的物理空間以及引入更高的插入損耗，許多波束成形系統可能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測試埠，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性分析的測試系統。

通過OTA進行準確的特性分析

在許多情況下，使用50Ω儀器進行測試時，PA輸出的行為會與PA連接到天線陣列時的行為有所不同。這會使等效全向輻射功率(EIRP)和總輻射功率(TRP)測量值產生誤差。在接收器端，當接收到的信號通過帶通濾波器時，接收器路徑評估並不會對天線阻抗過度敏感。但是5G AoC和AiP設備的天線會與無線電緊密耦合，導致無線電雜訊可能會改變天線溫度，從而影響有效全向同性靈敏度(EIS)和總接收靈敏度(TIS)。當天線的雜訊與無線電的雜訊耦合時，OTA測量可以更準確地測量晶元組的實際RF性能。

遠場測量挑戰

隨著轉向使用OTA測試方法，工程師所面臨的挑戰是建立動態OTA測試系統來準確測試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特性分析和驗證測試。

圖：天線測量區域

為避免使用大型RF暗室，許多研究人員正在研究近場測試，但是採樣天線的安裝位置如果過於靠近DUT，會引起諸多問題。如果要正確分析半導體特性，需要做到以下幾點：避免將DUT能量耦合至輻射近場的測量系統；不僅要準確採集幅度數據，也要準確採集相位數據，以便正確進行近遠場測量數據轉換；評估EVM、ACLR或SEM，因為近遠場變換最適合載波傳播測量，但結果不如高帶寬調製信號可靠。

對於波長僅為幾毫米的毫米波設備，合理設計的RF暗室並不需要像sub-6 GHz設備的測試裝置那麼大型。5G毫米波OTA RF 機箱可以是1m甚至更短，以滿足遠場測試條件。這裡的主要挑戰包括，採樣天線的位置；DUT定位器的機械結構應至少具有兩個可維持參考極化方向的自由軸；機箱的屏蔽性能；能夠進行熱循環測試，不會因環境問題對暗室造成損害；正確分析靜區的性能，靜區是一個矩形體，其中牆壁、地板和天花板所反射 的電磁波應低於規定的最小值。

圖：5G OTA測試系統

由於陣列大小隨波長而發生變化，在毫米波頻率下將所有電子器件安裝在陣列中變得越來越困難。也就是說，當元件數量相同時，20 GHz用的陣列的大小是40 GHz用的陣列大小的兩倍。另外，兩個頻率下的天線陣列的輻射功率可能相同，但是40 GHz設備消耗的直流功率是20 GHz設備的四倍。這使得工程師必須設計、充分分析並測試設備，以進行適當的熱管理和降額處理。而且每條傳輸路徑和每個天線元件可以承受的功率電平也有限制。

就接收器路徑而言，難點在於設計低噪音系統並分析天線增益對於接收器雜訊、溫度或G/T的影響。這增加了接收鏈路在設計和測試方面的負擔。此外，天線與LNA之間的損耗會直接降低接收器靈敏度。

圖：每個天線陣列元件的平均接收功率

然而暗室內的材料，例如RF吸收泡沫和機械定位器部件，可能會由於頻繁的溫度和濕度波動而受到損壞。OTA特性分析的一部分難點在於進行有效的熱測試，以最小化熱質量並避免損壞暗室或干擾RF測量。

空間掃描測試挑戰

3GPP標準規定的OTA測試程序可幫助工程師根據波束中心、波束寬度、EIRP、TRP和靈敏度確定新的波束成形性能。

圖：OTA TX和RX測試程序

OTA校準程序

首先是使用增益已知的饋送天線和基準天線來校準測量值。校準過程需要測量整個發射和接收路徑的複合損耗。這包括所有天線和放大器增益，以及信號通過空中介面、電纜、開關和組合器等的損耗。工程師針對每個測量路徑和每個極化重複校準測量。

3D天線方向圖

系統校準後，工程師將調製的5G測試信號饋送到DUT，並使用如下圖所示的網格分別對每個正交極化執行空間掃描。之後測量系統返回DUT的3D天線方向圖和發射波束峰值方向。然後工程師驅動DUT，使其在後續測試期間保持鎖定在該特定方向。

輻射功率和調製測試

工程師不僅需要通過測量特定方向的EIRP來分析設備的特性，而且其測試解決方案還必須整合每個極化的網格上每個點處測量得到的功率，以便計算TRP。 除獲得這些結果所面臨的技術挑戰外，EVM、ACLR和頻譜發射等傳統測量現在也與空間密切相關。測試區域(靜區)中的反射信號必須進行衰減，直至測量不確定性(MU)維持在預設值以下。例如，3GPP關於測試方法5的研究指出， 為了測量EVM，工程師必須： 使用預定義的網格，通過3D EIRP掃描找到TX波束峰值方向；在測試期間將波束鎖定在該方向上；測量EVM以獲得調製信號的Φ和θ極化 。

圖：OTA空間掃描網格

接收器測試

在測試完整的5G無線電時，測量系統通過下行信號來與DUT建立連接。測試系統必須確定每個極化的功率電平(吞吐量超過指定參考測量信道的要求時的θ和?值)。然後系統返回接收波束峰值方向，此方向的EIS最小。基於這一接收波束峰值方向，可分析接收器的動態範圍及其在θ和?極化下抑制通道內分塊信號的能力。這便提出了一個挑戰：同步生成5G信號來連接DUT和寬頻干擾源。

細空間網格和測試時間挑戰

當工程師使用3GPP指定的網格進行OTA分析和驗證測試時，他們可能會發現其測量精度需要提高。這是因為波束峰值方向可能無法與空間中的採樣點完全對齊，從而產生測量誤差。

圖： 粗採樣網格引起的波束峰值測量誤差

毫米波測量 - 不確定性挑戰

採用OTA測試解決方案的工程師應綜合考慮這些因素，才能為所有測量結果計算誤差範圍。這些不確定性來源可分為系統誤差、校準測量誤差、DUT測量誤差三大類。而減小OTA測量不確定性的更深一層解決方案是，將不確定性來源分離到系統子組件中：測量設備、暗室、定位器、測量和基準天線。

測量設備挑戰

在校準毫米波設備OTA測試系統的總路徑損耗時，工程師必須準確地測定寬頻RF功率。在毫米波頻率下校準功率測量值首先需要使用多個二極體感測器來覆蓋所需的頻率範圍，但這項技術正在轉向基於熱電偶技術的寬頻功率感測器。工程師可以校準從24 GHz到52 GHz的5G毫米波頻段的寬頻功率。此外，使用單一連接可減少使用多個感測器可能產生的誤差。

當使用矢量信號發生器和分析儀切換到連續波和調製波形測量時，由於儀器的插入損耗、輸出和輸入阻抗匹配以及平坦度和幅值精度規範，工程師必須考慮信號路徑上的總體不確定性。此外還需要考慮在低信噪比測試場景中，雜訊作為系統誤差源產生的影響。

射頻暗室測量挑戰

頻率和空間上的功率和相位變化是由測量天線處直接波和反射波矢量迭加引起的。

工程師在創建靜區並測量其性能時，面臨的一個巨大的挑戰是將基準天線放置在各個參考點和方向的情況下進行測量。由於存在離軸指向，因此他們通常需要校正測量距離和天線方向性方面的差異。

圖：分析NR毫米波靜區的性能

定位測量挑戰

通常由於定位器的機械間隙或不確定性，或者夾具鬆動導致DUT安裝不一致，也會出現角度偏差的情況。嚴謹的DUT定位器設計還可以避免由於相位中心偏離旋轉軸而引起的誤差。

圖：DUT相位中心偏離旋轉軸

驗證基準天線和測量天線是否對齊也很重要，這可以避免降低基準天線對測量天線的增益，特別是因為系統校準需要使用最大天線增益來計算路徑損耗。

圖：天線指向不一致

天線測量挑戰

暗室內的天線對與其自身極化進行交叉極化的入射場分量具有有限的隔離作用。即垂直極化天線接受來自水平極化信號的部分功率，反之亦然。這會影響測量結果，具體取決於交叉極化隔離度。在最壞情況下，天線會發生明顯的交叉極化泄漏，垂直和水平方向上均出現入射波形，並且泄漏分量完全同相。

圖：交叉極化鑒別率

工程師還必須處理來自基準天線饋源電纜的另一個誤差源，該來源僅出現在校準階段，並且在測試DUT時可能會消失或改變。布線、彎曲和旋轉接頭也會影響測量結果。

程序測量挑戰

如上所述，校準階段和DUT測量階段之間的插入損耗變化也會引入了不確定性。也就是說，校準天線可能可以更好地匹配50 Ω儀器，並且布線也不同於DUT。此外，工程師可能不知道某些DUT中天線陣列的確切位置，也會引入不確定性，因為測試夾具上的天線位置與預期不同。

圖 ：「黑盒」測量的距離不確定性

對於需要進行RF-RF或IF-RF OTA性能分析或AiP器件或天線模塊設計驗證的毫米波半導體工程師而言，NI毫米波OTA參考設計使其能夠準確測量DUT在所有傳輸方向上的完整輻射場。

通過硬體定時的運動控制，加快測試速度

NI OTA參考解決方案實現了基於硬體的實時運動控制系統，可以更加快速地驅動DUT定位器，更加迅速地掃描空間網格，同時觸發5G RF快速測量。這樣可縮短測試時間，提高可重複性，並減少測量儀器和運動組件之間的非確定性關係。

NI毫米波OTA參考解決方案將實時運動控制與毫米波VST的寬頻功能、高隔離度電波暗室、DUT 定位器以及RF透明熱機箱(如果需要)集成在一起，可用於分析DUT的溫度特性。

圖： NI毫米波OTA參考解決方案簡圖

快速執行後，測試定序器會為工程師提供測量結果，如EIRP、TRP、EVM、半功率帶寬等。此外，工程師還可以利用各種可視化工具，例如一維切片分析、一維極坐標圖、三維天線方向圖、熱圖和最佳波束索引。

毫米波OTA參考解決方案的圖形化用戶界面提供了一種方法，能讓客戶使用許多不同測量參數、掃描參數和連接設置來配置執行。它還可以執行後處理演算法，並以易於理解的報告形式顯示測量結果。

RF暗室及其靜區、校準天線和參考定位器在測試解決方案中都起著至關重要的作用。NI的這些元件均可提供出色的RF性能，快速平穩的運動，以及可靠且可重複的定位精度，而不會影響針對不同類型的DUT的定位靈活性。

過渡至批量5G設備生產

無論是研發階段還是生產環節，5G新空口設備的寬前端模塊、PA和其他RFIC在進行特性分析和驗證時始終面臨著一些挑戰。每當談及OTA測試解決方案，就不會不提到RF暗室，RF暗室已然成為OTA測試解決方案的必要組件。對於設計分析、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。然而對於批量生產來說，傳統的微波暗室會佔用大量的生產空間，並增加資本支出。

為解決上述問題，市場上出現了具有 OTA 功能的 IC 測試插座(帶有集成天線的小型RF外殼)， 從而將半導體 OTA 測試功能小型化(如下圖)。儘管測量天線距離 DUT IC 只有幾厘米，但是對於每個天線元件的遠場測量來說，這個距離已經足夠。不過，小型測試插座存在反射問題，反射會妨礙整個天線陣列的波束成形測量，這種測量的遠場距離一般是 10 厘米甚至更遠。因此，工程師需要特定的DUT測試模式，使其能夠單獨訪問每個元件，並能夠創建可列表的測試序列，以便減少軟體與DUT和測試儀器的交互作用，從而提高測試執行速度。

圖：用於多站點測試的RFIC OTA測試插座

即使採用小型RF外殼，工程師也面臨著OTA鏈路預算有限而帶來的測試挑戰。例如，在28 GHz 時，DUT和天線之間僅僅10 cm的距離也會導致自由空間路徑損耗超過30 dB(包括發射和接收天線的增益)，而如果使用同等長度的同軸電纜，損耗僅為1 dB左右。對於接收機IP3測量，OTA方法要求測試儀器在發射天線處生成高出30 dB的輸出功率，才能在DUT處獲得同等水平的接收功率。這對於基於RF暗室的OTA配置來說可能是一個挑戰，而對於位於1.5厘米遠的OTA插座式解決方案而言，所需的傳輸功率要低得多。

另一種OTA測試方法是生產測試系統採用更長的RF機箱這裡的測試挑戰在於識別晶元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。

新的測試平台還必須能夠應對目前5G設備對測試需求所提出的挑戰，例儘管眾多製造商仍在繼續研究如何充分測試24至52GHz頻段內的設備，但研究人員也在探索WLAN IEEE 802.11所定義的57至66GHz頻段內的協議共存，以期不斷突破頻率和互操作性的局限性。

如上文所述，NI用於特性分析和驗證任務的模塊化測試平台可完全滿足生產車間的測試需求，這要歸功於其較小的佔地面積、較低的成本以及自動化設計。該解決方案結合了數十個雙向RF埠，可直接用於5G測試，並與高端台式儀器的寬頻性能相匹配，同時每分鐘可以測試更多設備。

對於外包半導體組裝和測試公司而言，設計5G可擴展性並預測新生半導體技術變得至關重要。將測試技術更快地推向市場的最有效方式是設計一種模塊化測試架構，通過內置的靈活性來優化初始測試功能或添加新測試功能，以滿足未來需求，避免系統快速被淘汰。

NI將所有這些功能集成到單平台測試解決方案中，不僅可直接用於量產環境，而且還能夠以經濟高效的方式快速、可靠地進行5G測試，同時最大限度地降低費用和佔地面積要求，從而讓生產投資回報最大化。雖然專為實驗室設計的大型毫米波測試儀器在尺寸和價格上不斷增大，但NI將PXI 毫米波VST的強大功能和高性價比直接納入到適用於量產的ATE中。

圖： 基於半導體測試系統的毫米波生產解決方案

如今開發周期正不斷縮短，靈活且可擴展的測試系統對於 OTA 測試來說至關重要。為保證5G商用的快速落地，NI 將繼續與行業領導企業保持密切合作，採用平台化方法，開發高度模塊化的RF儀器和軟體定義的測試策略和解決方案。

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編輯：芯智訊-浪客劍/夏天

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