與5G毫米波完美配合的大規模晶片級天線陣列技術:測試如何做?

5G技術定義了三大典型的應用場景，即增強的移動寬帶（EMBB：Enhanced Mobile Broadband）、海量機器類型通信 (mMTC: massive Machine Type Communications) 和超高可靠低延遲通信 (URLLC: Ultra-Reliable & Low Latency Communications)。5G採用大規模天線陣列（Massive MIMO）技術增加了小區容量。

眾所周知，MIMO和波束賦形的技術都離不開天線陣列。如今，天線陣列的陣子達到了上百甚至上千個。天線陣子數量的增加提高了通信系統複雜性，這對天線陣性能評估提出了新的要求，面臨的主要挑戰之一是隨著頻率的提高，設備的射頻前端和天線陣子高度集成化，由於待測件可能不存在測試射頻接口，以往能夠通過傳導法進行的測試項目（如發射機和接收機項目），現在則需要通過空口（OTA: Over-the-air）方式進行。此外，天線在研發和封測的環節中，也需要對晶片級或PCB級的天線進行空口測試。這種類型的天線往往叫做在片天線。

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在片天線

下圖為在片天線示意圖。此類天線的襯底一般為半導體材料或介電材料。天線部分由特殊工藝做在襯底之上，接地板可以是與天線共面的形式，也可以是非共面的形式。信號由饋電口進入天線。

在片天線的饋電口與接地板的間距較小，無法容納常規的射頻接口，因此引入探針臺將射頻信號饋入天線，從而實現「在片天線測試」，測試環境連結框圖如下圖所示。

測試系統的硬體部分主要由矢量網絡分析儀，微波暗室以及探針臺構成。

首先，矢量網絡分析儀器是一種電磁波能量的測試設備，俗稱「射頻微波領域的萬用表」，能夠對單埠或多埠網絡進行幅值與相位等參數的測量，是天線與OTA測量系統中最常見的儀表之一。

其次，微波暗室是由吸波材料和金屬屏蔽體組建的封閉空間，形成一個屏蔽外界電磁幹擾的電磁環境。在暗室內做天線、雷達等無線通訊產品和電子產品測試可以免受雜波幹擾，提高被測設備的測試精度和效率。

第三，探針臺廣泛應用於半導體與集成電路行業中的複雜、高速器件的精密電氣測量的研發與封裝測試。

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在片天線的測試挑戰

隨著毫米波陣列天線的大規模應用，在片天線測試作為天線設計與封裝測試中的一個環節，起著十分重要的作用。然而，在片天線測試屬於天線測試測量領域較為小眾的領域，目前市場能夠提供的系統方案還不夠成熟，無法對在片天線進行準確，高效的性能評估，主要的問題和測試挑戰如下。

第一，在片測試時，由於晶片或PCB天線放置於探針臺上，天線與吸盤的金屬部分會產生電磁耦合，其程度視天線類型和輻射方向而定，因此天線的方向圖測量結果與測量精度將受到耦合影響。下圖展示了5G毫米波終端內常見的端射天線[1]，其饋電接口與天線輻射方向不在一個平面上，如果採用普通的探針臺進行測量，天線的輻射方向正好位於吸盤的平面上，其測試結果將嚴重偏離天線的實際性能。因此需要採取創新的方法將探針臺的影響去除。

第二，採用傳統的探針臺進行在片測試，往往只能進行平面掃描，或者有限角度的3D方向圖測試[2]。其原因是進行球面掃描採樣時，吸盤的金屬底座將遮擋天線輻射能量的下半球部分，測試的結果只有上半球的數據是有效的。此外，更為重要的一點是，只進行上半球的測試無法對天線效率進行準確的評估。在CTIA與3GPP關於5G毫米波終端的測量規範當中[3][4]，全向輻射功率（TRP）的測量需要進行球面掃描。TRP對於有源測量來講是功率的球面積分，對應到於無源天線就是天線效率，因此球面掃描角度的完整性非常重要。

第三，測試效率對於天線測試來講至關重要，相對短的測試時間意味著系統可以進行更多的測試任務。測試效率與系統內的轉臺或天線搖臂的轉動速度，掃描策略，與數據採集速度等因素有關。不同系統間的測試速度差距非常大。下圖是一個典型的多軸天線測量搖臂結合部分探針臺組成的在片天線測試環境[2]。圖中的天線搖臂至少存在三個掃描維度，包括水平角、俯仰角與極化方向角。即天線搖臂既要完成水平角（Azimuth）維度，也要完成俯仰角(Elevation)維度的掃描，同時，位於天線搖臂上的測量天線為單極化天線，需要進行機械轉動以完成待測天線主極化與副極化的測量。為了協調與聯動多個掃描維度，多軸的天線搖臂勢必會在測量速度上面做一些犧牲。對於毫米波天線來講，多採用天線陣的形式布局，波束相對比較窄，往往需要採用較小的採樣間隔，比如4°，2°甚至1°。採樣的步進越小，所花的測量時間成倍增加。此外，測試系統的測量不確定度也會隨著系統掃描維度的增加而增加，因此根據5G毫米波設備相關的測試規範[3][4]，雙軸（兩個掃描維度）的掃描系統是主流的測試環境。

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在片天線測試的解決方案

為了回應上述在片測試中的問題，羅德與施瓦茨（Rohde & Schwarz）提出了相關的解決方案。WTPC無線性能測試暗室系統（如下圖）能夠幫助研發人員和產線工程師對天線模塊、收發器、晶片組和無線設備進行天線與OTA測試。結合相關的測試設備，整個系統可以在600MHz到90 GHz的頻率範圍內進行測試，可以覆蓋目前5G所關注的所有頻段。WPTC暗室主要由RF屏蔽材料、吸波材料、高精度轉臺、天線搖臂以及覆蓋整個頻率範圍的測量天線構成。WPTC暗室採用業界領先的RF屏蔽材料與吸波材料，保證了暗室良好的電磁頻閉性能。