無線通信による試験手法の必要性の高まり
ミリ波技術の導入は5Gの展開そのものであり、通信速度の向上に関する初期の結果は驚くべきものです。例えば、ミリ波帯を利用すれば、1～2 Gbpsの通信速度が実現可能となり、一般的なHD映画を1分未満でダウンロードできるようになります。 また、30Mbpsのアップロード通信速度により、動画をクラウドへ記録的な速さで転送することも可能になります。こうしたユーザー体験は、スマートフォンとスモールセル間のアンテナ接続によって実現されており、詳しく検証する価値があります。
以前のブログ記事で、 「5Gへの大移行が進行中」では、5G-IFメカニズムを含む信号分配インフラについて解説しました。今回の関連記事では、スマートフォンのアンテナを構成するミリ波ビームフォーミングモジュールにおける技術的偉業について、設計から生産までのワークフローを含めて解説します。
リンク・バジェットを考慮した設計
設計段階では、リンクバジェットを確実に満たすため、すべての無線リンクについて厳密な計算を行う必要があります。これらの計算は、最適な性能を確保するために、以下の図に簡略化して示したような無線パラメータに基づいて行われます。このケースでは、アンテナアレイ（単一のアンテナ素子ではなく）が用いられていることからも明らかなように、ミリ波（mmWave）アプリケーションに焦点を当てています。
リンクの送信側では、送信電力（PTX）と送信アンテナ利得（GTX）がカバレッジの初期条件を決定します。受信側では、受信電力（PRX）と受信アンテナ利得（GRX）がリンクを構成します。送信側と受信側の間の距離（D）が、カバレッジに対する制約を決定します。 これらのリンク・バジェット計算を支配するのはフリーズの式であり、これは1945年にベル研究所のヘラルド・T・フリーズによって導出されたものである。
最後に、リンク予算では、以下の大気吸収特性、特に周波数が高くなるにつれて増大する減衰、および高度や湿度によって変化しうる点も考慮しなければならない。
ミリ波通信における技術的な驚異は、フリーズの式におけるアンテナ利得と関連しています。波長が短くなるほど（例えば、60 GHzでは5 mm）、電気的に大きなアンテナアレイを構築して利得を高めることが可能になります。実際、5Gにおけるミリ波通信を真に実現しているのは、このビームフォーミング技術なのです。
パッケージ内蔵アンテナ（AiP）
5Gスマートフォンの分解調査を行えばわかるように、あらかじめ定められたミリ波リンクバジェットを満たすために、複数のアンテナモジュールが端末全体に配置されています。これらのアンテナモジュールは、クアルコム製の以下の「アンテナ・イン・パッケージ（AiP）」のような外観をしており、量産化の検討において被試験装置（DUT）となります。
コンパクトな5Gスマートフォンのデザインに収まる、薄型のパッケージ形状に注目してください。ミリ波技術の導入に伴い、このアンテナモジュールが複数個、5Gスマートフォンの周囲に配置されています。同様に、接続を確立するには、スモールセル基地局側にも対応するアンテナが必要です。このようにして、ミリ波リンクによるデータ転送の準備が整います。
画期的な新しい無線試験手法
検討すべき課題は、送信・受信動作のためのミリ波回路とビームフォーミングアンテナ構造が組み込まれた、この新たなミリ波デバイスをどのようにテストするかという点である。アンテナがパッケージの一部となっているため、大量生産環境において利便性の高い無線テスト（OTA）手法を取り入れるよう、テスト手法を進化させる必要がある。
アンテナに関する簡単な基礎知識として、設計段階では、この無線デバイスの特性評価を行うために電波暗室が必要となります。実際の設置環境を模したこの遠方界測定法では、デバイスを台座に設置し、回転させながら、被試験装置（DUT）の物理的な向きに対するアンテナパターンを確認します。 このチャンバーには2つの目的があります。第一に、近傍の信号による干渉を防ぐこと、第二に、反射のない試験環境を作り出すことです。チャンバーの全体サイズは動作波長に比例し、ミリ波技術の場合、チャンバーは比較的小さくなります。しかし、量産に必要なレベルの自動化を実現するには、そのサイズでは不十分です。
OTA挿入部を製造するために必要な変更点は、以下の新しい半導体製造プロセスに示されています。ウェーハ選別後、ビームフォーミングモジュールについては、パッケージング上の欠陥（および異常値）を検出するためのテストが必要です。サイト密度が高いOTA挿入部を採用することで、（サイト密度が低い場合と比較して）テストコストを削減し、ミリ波技術の普及を加速させることができます。
ウェーハ選別工程におけるRFICテストのワークフローは、アンテナ構造を用いたその後のパッケージング工程に向けて、正常動作が確認されたダイ（KGD）を確実に生成しなければならないという点で、極めて単純明快です。したがって、課題となるのは、量産規模に対応できるOTAソリューションをいかに構築するかという点にあります。
OTA設計におけるチャンバーの重要性
まず、テスト戦略の一環として、単一サイト設計のアプローチを検討します。その後、この単一サイト設計を、テストコストの目標を達成するために必要なサイト密度へと容易に拡張できるようにします。この設計アプローチでは、まず標準的なハンドラーを選定することから始めます。これにより、利用可能な設置スペース、アンテナの配置、部品の取り扱い、および将来のサイト密度増強への対応性を把握します。標準的なハンドラーを採用することで、既存のRFハンドラーを活用し、規模の経済によるコスト抑制を図ります。
無響室方式と比較した場合、まず問題となるのは、従来のチャンバーサイズ（コンパクトなタイプであっても）では、標準的なハンドラーとの連携が現実的ではないという点です。その代わりに、ミリ波のベストプラクティスに最適化され、サイト密度の向上に向けた拡張性のある道筋を築くことができる、より小型のチャンバーが必要となります。各無響室も同様に被試験装置（DUT）を密閉することになり、対象となる波長やパッケージサイズに応じて、さらなる設計の最適化が必要となります。
次に、全体的な試験戦略の一環として、試験室の設計プロセスについて検討します。通常、出発点となるのは実績のあるエンジニアリング評価キットですが、そうでない場合は一から新規に設計する必要があります。いずれの場合も、試験室の設計には通常、アンテナの専門家が関与し、遠方界を想定したモデルを構築する必要があります。これにより、大型の無響室と、より小型で量産に適した試験室との間で、予測結果と実際の結果を比較することが可能になります。 念のため申し添えると、これらの認可済みミリ波帯では1dB単位の差が重要となるため、この単一の試験環境で再現性のある結果を得る必要があります。チャンバー設計の複雑さは決して軽視できるものではなく、アンテナパッケージのフォームファクタ、サイズ、ビームフォーミングアンテナのレイアウトに加え、ミリ波モジュールが実運用に向けて最適化される過程で生じる変動にも対応しなければなりません。
チャンバーの設計に加え、信号の分配など、物理層の相互接続に関する要件も満たす必要があります。単一サイト設計では、電磁（EM）信号における水平および垂直偏波の両方を含め、ビームフォーミングアンテナのボアサイト（照準）を最適化することになりますが、これはそれほど解決が難しい問題ではありません。
相互接続およびチャンバー設計に関連して、アンテナのビームフォーミング機能に対する試験戦略を策定する必要があります。これについては、（ビームフォーミングパターン全体ではなく）個々のアンテナ素子を試験するアプローチが最も費用対効果に優れています。 ここで信号を確実に伝送するためには、被試験装置（DUT）に対してテスト用アンテナを正確に配置することが前提条件となります。この工程では、テスト結果の再現性と精度を確保するために、多くの機械的および電磁気的な課題に対処する必要があります。また、予測結果と実際の結果を比較するためには、ミリ波に関する専門知識、機械的な技術力、そして綿密なシミュレーション作業が求められます。
最後に、被試験装置（DUT）のテスト設計が単一サイト方式として適切に整ったところで、校正や保守（交換キットなど）の問題も含めた、実際のテストカバレッジについて検討する必要があります。テストコストを最小限に抑える観点から、検討すべき一般的なループバック手法がいくつかあります：
- リークバック。この 最も低コストな手法では、被試験装置（DUT）を起動し、アンテナノード間で生じるリーク電流を測定することで、DUTの品質を大まかに評価します。DUTはこの動作を想定して設計されていないため、推奨される手法ではありません。
- ラディエートバック。これは より高価な手法であり、外部反射器を用いてアンテナノードにフィードバック機構を導入することで、（リークバックと比較して）被試験装置（DUT）の品質評価をより詳細に行うことができます。しかし、通常は受信経路に過大な電力が流入することになり、被試験装置（DUT）はこのような動作を想定して設計されていないため、この手法も理想的とは言えません。
- 放射試験。この手法は、被試験機器（DUT）と試験装置が適切な信号レベルで相互作用し、合否判定を行うパラメトリック試験を可能にするという点で、無響室試験の手法に最も近い。また、この特性評価手法では、被試験機器（DUT）の校正も行うことができる。
この単一サイトでのOTA設計プロセスの各ステップは妥当なものですが、システムエンジニアリングの総工数を考えると、その実行には専門家レベルの多分野にわたるチームが必要です。さらに事態を複雑にしているのは、このプロセスが民生用電子機器の性質を持つため、パッケージサイズ、フォームファクタ、アンテナ配置について、おそらく何度も反復設計が必要になる点です。 単一のDUT、および異なる周波数帯で動作する複数のDUTの運用を効率化するためには、ワークフロー全体にわたる単一拠点OTA設計プロセスが不可欠です。また、量産に適した環境におけるOTAセットアップを構築する上で、チャンバーの設計が最も重要です。この単一拠点OTA設計プロセスは、標準的なハンドラーの機能を活用することで、現在および将来の製品群の組み合わせにおいて、目標とする生産予算を達成するために拡張適用することが可能です。
テラダインのミリ波向けOTAソリューション
自社での対応によってサプライチェーンの体制を危うくする前に、テラダインが提供するミリ波アプリケーション向けの量産対応OTAソリューションをご検討ください。当社のシステムエンジニアリングアプローチにより、OTAテスト手法を必要とする新興デバイスの設計から量産までのワークフローを実現します。テラダインは、大量生産のベストプラクティスに準拠したワークフロー上の課題を解決することで、量産までの期間を短縮するお手伝いをいたします。
テラダインは、新興のミリ波（mmWave）テスト手法における先駆者として誇りを持っています。当社の専門家からなる多分野にわたるチームは、設計から量産に至るまでの業務を効率化する特許取得済みの手法を有しており、これにはカスタム無響室要素を組み込んだx8サイト構成の最終ハンドラーソリューションが含まれます。このワークフローには、単一サイトの設計や複数サイトへの拡張性に加え、シミュレーションによる予測結果と実際の結果を比較するためのベストプラクティスも含まれています。 このソリューションの利点は、新興デバイスに対して再現性のあるOTA（空中伝送）測定結果を提供する実証済みのソリューションにより、量産までの時間を短縮できることです。
UltraFLEXplus 」、ミリ波計測機器、およびOTAソリューションの詳細については、こちらをご覧ください。また、ワイヤレスの未来に向けた協業についてご興味をお持ちの方は、ぜひお問い合わせください。
デビッド・ヴォンドラン テラダインのワイヤレス製品マネージャーとして、ミリ波アプリケーション向けを含む大量生産向けのATEソリューションを推進している。これまでに、ロックウェル・インターナショナル、ワトキンス・ジョンソン、パシフィック・モノリシックス、カリフォルニア・マイクロウェーブ、アンリツ、OML、ライトポイント、アドバンテスト、アストロニクス・テスト・システムズで、エンジニアリングおよびマーケティングの職を歴任した。カリフォルニア州立工科大学ポモナ校にて電気工学の学士号を取得している。