無線測試方法的迫切需求
毫米波技術的部署與 5G 的普及密不可分，而其初期的高速連線成果令人驚嘆。舉例來說，透過毫米波頻段，1 至 2 Gbps 的連線速度意味著一部典型的高畫質電影可在不到一分鐘內下載完成。 30 Mbps 的上傳速率也讓影片傳回雲端的速度創下新紀錄。這些使用者體驗是透過智慧型手機與小型基地台之間的天線連結實現的，值得深入探討。
在之前的部落格文章中， 《邁向 5G 的大遷徙已然展開》中，我們探討了訊號傳輸基礎架構，包括 5G-IF 機制。在這篇配套文章中，我們將深入解析作為智慧型手機天線核心的毫米波波束成形模組——這項工程奇蹟，並涵蓋從設計到量產的完整工作流程。
鏈路預算的設計
在設計階段，所有無線鏈路都必須經過嚴格的計算，以確保符合鏈路預算。這些計算是基於無線參數（如下圖所示的簡化版本）進行的，旨在確保最佳性能。在此案例中，我們聚焦於毫米波應用，這從天線陣列（而非單一天線單元）即可看出。
在鏈路的發射端，發射功率（PTX）與發射天線增益（GTX）決定了覆蓋範圍的初始條件。在接收端，接收功率（PRX）與接收天線增益（GRX）則構成鏈路的另一端。發射端與接收端之間的距離（D）決定了覆蓋範圍的限制條件。 弗里斯方程式（Friis equation）是規範這些鏈路預算計算的基礎，該方程式由赫拉爾德·T·弗里斯（Herald T. Friis）於1945年在貝爾實驗室推導而出。
最後，鏈路預算還必須考慮以下大氣吸收特性，尤其是頻率越高所產生的衰減越大，且會隨仰角及濕度水平而變化。
毫米波鏈路中的工程奇蹟，與弗里斯方程（Friis equation）中的天線增益密切相關。隨著波長變短（例如，60 GHz 對應的波長為 5 毫米），便能建構電學上尺寸較大的天線陣列以提升增益；事實上，正是這項波束成形技術，才真正使 5G 的毫米波鏈路成為可能。
封裝內天線 (AiP)
正如任何 5G 智慧型手機的拆解分析所顯示，機身內分布著多個天線模組，這些模組皆符合預先設定的毫米波鏈路預算。這些天線模組的外觀類似於高通（Qualcomm）的這款「天線封裝」（AiP），該產品在考量大量量產時，將成為被測裝置（DUT）。
請注意其纖薄的封裝外形，可完美融入緊湊型 5G 智慧型手機的設計中。作為毫米波技術部署的一部分，多個此類天線模組被分佈於 5G 智慧型手機的邊緣區域。同樣地，小型基地台中也必須配備相應的天線，才能建立連線。如此一來，毫米波鏈路便已準備就緒，可進行資料傳輸。
開創性的全新無線測試方法
需要探討的問題是，如何對這種新興的毫米波裝置進行測試，該裝置內建了用於發射與接收作業的毫米波電路及波束成形天線結構。由於天線是封裝的一部分，測試方法必須隨之演進，納入適用於大量生產環境且操作便利的無線測試（OTA）方法。
作為天線設計的簡要入門，在設計階段，必須使用無迴聲室來對該無線裝置進行特性分析。在這種模擬實際部署情境的遠場測試方法中，裝置會被放置在基座上並進行旋轉，以呈現天線輻射圖與被測裝置（DUT）物理方位之間的關係。 無回聲室具有雙重功能：首先，可防止附近訊號的干擾；其次，能為測試創造無反射的環境。無回聲室的整體尺寸與運作波長成正比，就毫米波技術而言，其尺寸相對較小。然而，其尺寸仍不足以滿足量產所需的自動化需求。
以下新的晶片製程流程圖展示了為實現 OTA 嵌入所需的調整。在晶圓分選後，波束成形模組需進行測試以檢測封裝缺陷（及異常值）。相較於較低的晶粒密度，採用更高晶粒密度的 OTA 嵌入方案將降低測試成本，並加速毫米波技術的普及。
在晶圓分選階段進行 RFIC 測試的工作流程相當明確，其目的在於為後續搭配天線結構的封裝工序產出已知良品晶粒（KGD）。因此，真正的挑戰在於如何打造一套能滿足量產需求的 OTA 解決方案。
在 OTA 設計中，腔室至關重要
首先，作為測試策略的一部分，我們採用單站點設計方案。此後，該單站點設計應能輕鬆擴展至所需的站點密度，以滿足測試成本目標。此設計方案首先選定標準處理器，藉此釐清可用安裝空間、天線配置、零件處理方式，並為未來站點密度的提升預留彈性。採用標準處理器可透過利用現有的射頻處理器來發揮規模經濟效益，從而控制成本。
與無回聲室方案相比，首要問題在於：即便是緊湊型規格，這種傳統的測試艙尺寸對於與標準操作人員進行互動而言仍不切實際。因此，必須採用更小型的測試艙，使其能針對毫米波的最佳實踐進行優化，並為實現更高的站點密度開闢可擴展的途徑。每個無回聲室同樣會將被測裝置（DUT）封裝其中，並需根據目標波長和封裝尺寸進行額外的設計優化。
接下來，我們將探討作為整體測試策略一部分的測試艙設計流程。起點通常是經過驗證的工程評估套件；否則，就必須從頭開始進行全新設計。無論採用何種方式，測試艙設計通常都需要一位天線專家，透過建立模型來進行遠場設計，以便能夠在較大的無迴聲室與較小且適合量產的變體之間，進行預測結果與實際結果的比較。 需要提醒的是，在這些已獲授權的毫米波頻段中，每分貝都至關重要，因此我們需要這個單一測試場地來產生可重複的結果。測試艙的設計複雜度不容小覷，必須兼顧天線封裝的外形尺寸、大小與波束成形天線佈局，同時也需因應毫米波模組在部署優化過程中可能產生的變動。
除了艙體設計外，我們還需滿足物理層互連的先決條件，包括訊號分配。單站點設計將針對波束成形天線的瞄準線進行優化，涵蓋電磁（EM）訊號的水平與垂直極化，這並非難以解決的問題。
關於互連結構與腔室設計，我們需要制定天線波束成形功能的測試策略，而最經濟實惠的做法是測試個別天線單元（而非整體波束成形圖案）。 在此，訊號傳輸的前提是測試天線必須精確地定位於被測裝置（DUT）的相對位置。此步驟涉及諸多機械與電磁方面的挑戰，以確保測試結果的重複性與準確性。此步驟需要毫米波專業知識、機械工藝技術，以及仔細的模擬工作，以比較預測結果與實際結果。
最後，既然被測裝置（DUT）已具備完善的單一測試站點設計，我們需要考量實際的測試覆蓋率，包括任何校準與維護問題（例如：更換套件）。為了將測試成本降至最低，有幾種常見的迴路測試方法值得考慮：
- 回漏測試。此種 成本最低的方法是啟動被測裝置（DUT），並測量天線節點間產生的漏電，藉此初步評估被測裝置的品質。由於被測裝置並非設計用於此種運作模式，因此這並非首選方法。
- 輻射回波法。這是一種 成本較高的方法，透過外部反射器向天線節點引入反饋機制，從而能更全面地評估被測裝置（DUT）的品質（相較於洩漏回波法）。但此方法同樣不盡理想，因為通常會將過多功率導入接收路徑，而被測裝置原本並非設計用於此種運作模式。
- 輻射測試。此方法與無回聲室測試法最為相似，其原理在於被測裝置（DUT）與測試儀器以適當的訊號電平進行交互作用，從而進行更多參數測試以判定通過或失敗狀態。此特性分析方法亦可對被測裝置（DUT）進行校準。
此單一基地台 OTA 設計流程中的每個步驟皆屬合理，但整體系統工程所需的工作量，必須由具備專家級水準的跨領域團隊來執行。更複雜的是，由於此流程涉及消費性電子產品的特性，在封裝尺寸、外形規格及天線配置方面，很可能需要經過多次迭代調整。 為單一被測裝置（DUT）以及將在不同頻段運作的多個被測裝置（DUT）簡化作業流程，建立涵蓋整體工作流程的單一場址 OTA 設計流程實屬必要。而要打造適合量產環境的 OTA 測試平台，測試艙的設計至關重要。此單一場址 OTA 設計流程可進一步延伸應用，善用標準化處理系統的能力，以達成現有及未來產品組合的目標量產預算。
泰瑞達的毫米波 OTA 解決方案
在您因自行摸索而危及供應鏈計畫之前，建議您評估泰瑞達（Teradyne）專為毫米波應用所設計、可直接投入量產的 OTA 解決方案。我們的系統工程方法能為需要 OTA 測試方法的新興裝置，建立從設計到量產的工作流程。透過解決符合大規模量產最佳實踐的工作流程問題，泰瑞達有助於加速產品投入量產的時間。
泰瑞達（Teradyne）是新興毫米波測試方法的先驅，對此深感自豪。憑藉我們由專家組成的跨領域團隊，我們擁有一項專利方法，可簡化您從設計到生產的作業流程，其中包括以 x8 測試站為核心、整合了客製化無響室元件的最終處理器解決方案。此工作流程涵蓋單一測試站設計及擴展至多站點的能力，並提供用於比較預測模擬結果與實際結果的最佳實踐。 此方案的優勢在於能透過經實證的解決方案，為新興裝置提供可重複的 OTA 測試結果，從而加速產品量產進程。
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大衛·馮德蘭 現任泰瑞達（Teradyne）無線產品經理，致力推廣適用於大量生產的自動測試設備（ATE）解決方案，包括毫米波應用相關方案。他曾任職於羅克韋爾國際（Rockwell International）、沃特金斯-約翰遜（Watkins-Johnson）、太平洋單晶（Pacific Monolithics）、加州微波（California Microwave）、安立（Anritsu）、OML、LitePoint、愛德萬測試（Advantest）及阿斯特羅尼克斯測試系統（Astronics Test Systems），擔任過工程與行銷職務。大衛持有加州州立理工大學波莫納分校（California State Polytechnic University, Pomona）的電機工程學士學位。