5G 的毫米波技術
5G 寬頻行動通訊技術於 2019 年進入了首次大規模部署階段。近年來，5G 在消費性電子產業中的應用已相當顯著，5G 功能現已成為中高端行動裝置的主要賣點。
然而，在幕後，已有許多發展旨在為更宏大的技術能力奠定基礎。最近，在 2020 年 3 月，美國拍賣了 37、39 和 47 GHz 頻段，讓電信業者得以利用 5G 的毫米波（mmWave）頻譜，以獲得額外的容量和更高的傳輸速率。 這些頻段被稱為「頻率範圍 2」（Frequency Range 2，簡稱 FR2），因為它們補充了 5G 較為傳統的蜂窩頻譜（FR1）。此舉成為後續商業化努力的主要驅動力。
綜合考量此項及此前所有產業動態，以下 5G 毫米波頻段（N257–N262）的分配已具備實施條件：
儘管實現 5G 潛力所需的許多重要法規現已到位，但毫米波技術的商業化絕非易事，且在擴展至都市中心以外的地區前仍需時日。 對於由三家電信業者（Verizon、AT&T 和 T-Mobile）主導的美國市場而言，26–47 GHz 的毫米波頻段對半導體生態系統構成了特殊挑戰——正如我們稍後將看到的，這項挑戰同樣與頻率覆蓋範圍相關。而這對美國市場的啟示，同樣適用於全球市場。
簡而言之，要讓毫米波技術既能獲利又具可行性，必須滿足以下三個條件。
- 首先，全球供應鏈必須擴展，以同時支援新基礎設施與面向消費者的設備。唯有如此，業界才能從 5G 獲得初步的投資報酬率（ROI）。
- 接下來，這些研發組件必須進行商業化，才能從量產的角度來看，被視為真正具備量產條件。
- 最後，整個產業必須能夠辨識並證實那些驅動整個商業化進程的宏觀經濟效應——也就是可持續的利潤。
這聽起來似乎是項艱鉅的任務。推動這三階段事件鏈的關鍵催化劑之一，在於人們已知 FR2 能夠以具成本效益的方式進行整合與測試。這項認知將使該技術對那些希望維持現有市場領先地位，或期望在不久的將來提升產品競爭力的設備製造商而言，更具可行性。採取行動的企業將有望站在 5G 毫米波應用的最前線，並收穫先發優勢。
毫米波裝置面臨的生產難關
在深入探討解決方案之前，讓我們先來看看毫米波裝置在量產過程中面臨的主要障礙。這些障礙有助於我們理解，為何某些解決方案比其他方案更適合 FR2 頻段。
期待與現實：當科技先驅們設想 5G FR2 將帶來的消費性與工業應用時，毫米波自然引發了極大的熱議。其更快的傳輸速率，無論是機場貴賓室中對數據需求極高的影片串流，還是體育場內顛覆傳統的擴增實境體驗，皆能游刃有餘地應對。
接著，工程師和會計師開始針對技術障礙和相關成本發表意見，這股熱潮便逐漸消退。這可能導致部分製造商在尚未著手之前，便已將毫米波市場排除在外。
價格衝擊：談到獲利能力，眾所周知，頻率越高，成本就越高。這意味著，如果具備 6 GHz 以下射頻（RF）功能的硬體相較於數位硬體已屬昂貴，那麼具備毫米波（mmWave）功能的硬體預計會比射頻硬體更加昂貴。事實上，由於外部射頻儀器對整體成本的影響極為顯著，製造商往往投入大量心力，只為盡可能減少生產線上所需的外部射頻儀器數量。
一般來說，封裝與測試的預算通常約佔晶片平均售價的 2% 至 4%。這使得裝置製造商往往認為這筆預算將不足，因為毫米波頻段的測試設備通常比射頻頻段的設備昂貴得多。例如，用於測試無線鏈路的射頻桌上型儀器，每涵蓋 10 GHz 的頻寬，零售價通常超過 1 萬美元。
裝置複雜度：FR2 的更高頻率伴隨著裝置複雜度的增加。 設計與開發硬體需要更專業的技術，因此必須採用新的測試儀器來檢測相關的先進封裝（例如天線封裝技術 (AiP)）裝置，這些裝置運用波束成形及其他複雜操作，進而強化 5G 毫米波標準。關於這些方面的部分內容，我們在先前發表的文章《無線測試的未來在於無線傳輸》中已有更詳細的說明。
此外，無法將相同的測試方案套用至所有裝置。部分裝置具有額外的頻率轉換步驟，需要進行複雜的校準。上述提及的新型無線（OTA）測試方法，亦凸顯了此流程日益增加的複雜性，以及確保裝置在出貨前具備完整功能的必要性。
簡化生產流程：供應鏈通常習慣為不同頻段分別設計獨立的插入元件和獨立的儀器。例如，某種獨立的插入元件可能專為行動通訊優化，而另一種則專為連線功能優化。透過整合、標準化及簡化這些基礎生產步驟，製造商便能實現強大的規模經濟效益。
然而，鑑於毫米波頻段所面臨的挑戰，如何實現這些規模經濟效益往往並不明確。例如，每個 FR2 頻段是否都需要獨立的插入測試，抑或能否找到一種通用的解決方案來處理整個頻譜範圍？這在很大程度上將取決於製造商所選擇的測試策略。
訊號傳輸：彷彿這些問題還不夠多似的，毫米波又帶來了另一項困擾。標準的射頻線纜——進而說來，標準的訊號傳輸方式——根本就不是為這些毫米波頻率所設計的。這項限制源於一個極其基礎的因素：連接器介面。
生產環境中常見的射頻連接器僅支援最高 18 GHz 的頻率。相較之下，由於同軸連接器比波導更易於操作，因此必須對訊號傳輸進行優化，以實現最佳的 5G FR2 覆蓋。若未進行優化，製造商在進行大規模且高速的裝置測試時，將面臨犧牲性能、重複性及成本效益的風險。
雖然這份清單並非詳盡無遺，但確實突顯了其中一些最迫切的課題。對於裝置製造商而言，若想在日益增多的毫米波應用場景中把握商機，並取得技術與經濟上的成功，就必須將所有這些高階變數納入掌控。我們的文章《邁向 5G 的大遷移已然展開》針對此產業趨勢及其對有意挖掘其潛力的製造商所帶來的影響，提供了更多相關資訊。
現在讓我們來看看該如何做到這一點。
制定毫米波測試策略是一個迭代過程
從歷史角度來看，制定新的毫米波測試策略與射頻（RF）的商業化努力有某些相似之處。與射頻領域類似，毫米波測試策略同樣需要採取多管齊下、跨領域的方法，但鑑於毫米波技術的嶄新性，這種策略必須具備更為敏捷的思維模式。
首先，正如我們在上文「價格衝擊」一節中所見，FR2 測試的儀器成本往往會隨著頻率的增加而呈指數級增長。因此，初步的測試策略應著重於如何減少所需的毫米波測試量。這主要透過以下兩種技術來實現：
內建自檢（BIST）。顧名思義，BIST 是透過在積體電路（IC）中整合特定元件，使其能夠對自身各區段進行內部測試，以驗證基本功能與效能。這些區段隨後便成為更廣泛的迴路測試機制的一部分。
BIST 的成本或許較低，但其結果並非源自具代表性的使用案例，因此數據分布不會十分密集，且往往缺乏足夠的準確性。BIST 的主要優勢在於，由於其整合特性，不僅能縮短測試週期的時間，還能降低測試探針設置的複雜度。
外部迴路。此技術在數位電路中相當常見，其原理是將未經處理的訊號迴路至電路本身。 對於在同一設計中整合發射器（TX）與接收器（RX）單元的射頻積體電路（RF IC）而言，此技術極具吸引力。在此技術中，TX 產生訊號後，該訊號會透過外部迴路傳回 RX，並利用現有資源進行特性分析。這種低成本的方法無需使用外部射頻儀器。此外，由於外部迴路具有較高的確定性，此技術亦能提供一種克服內部 BIST 限制的方法。
然而，外部迴路測試的結果缺乏任何獨立機制來驗證絕對性能（例如輸出功率），或區分各電路模組的個別性能。由於無法從參數角度深入了解絕對性能，這意味著外部迴路測試僅能提供裝置間重複性的相對視角。 這些指標需要獨立驗證，特別是針對任何旨在使用授權頻段的應用，因為不符合規範不僅會導致客戶體驗不佳，還可能招致監管機構開出高額罰款。
倘若這些初步技術無法達到生產目標，便可能需要退而求其次，採用利用射頻儀器的傳統最佳實踐——即使這只是不得已而為之的最後手段，且相關成本相對較高。在此情況下，測試工程師面臨的挑戰在於，如何充分利用成本最低的儀器，並運用經過驗證的成功策略。與此同時，企業可重新審視預算，以在當前情勢下尋求適當的平衡點。
雖然這並非理想方案，但這種結合成本優化技術與最佳實務的做法，有助於確保專案順利進入生產階段。另一項優勢在於，它為混合式測試方法的出現創造了空間。
然而，在存在如此多未知數的情況下，5G 毫米波技術為何能被提早投入商業應用？其背後有兩大理由。
首先，其主要優勢在於，當其他競爭者陸續進入市場時，該公司已建立起一套成熟的毫米波大規模生產與測試流程。
其次，最佳的測試策略是透過在該策略開發的每個階段持續蒐集數據而逐步形成的。換言之，最佳的測試策略是一個迭代過程，在此過程中，經過深思熟慮的演進——當然，這演進是受持續的數據分析所引導——為成功的商業化鋪平道路。重要的是，此處所定義的成功，同時涵蓋技術與經濟層面的因素。
一般而言，若將此迭代方法應用於毫米波商用化的最終目標，理想的解決方案是擁有一台能涵蓋整個 5G FR2 無線電頻段、並支援 N257–N262 頻段（即 24.25–48.20 GHz）的單一測試儀器。若針對不同頻段使用獨立的儀器，將導致整個生態系統的運作效率低下。
此整合式解決方案還需同時支援高效能的連續波形（CW）（例如增益）與調變測量（例如誤差向量幅度）。此外，為兼顧技術與經濟性的雙重考量，該解決方案必須能透過採用高密度測試點配置（例如四點或八點配置）來實現大規模平行測試，從而提升經濟效益。
針對此整合式測試儀器，最後需考量的重點在於支援半導體內容標準工作流程：晶圓分選（WS）、功能測試（FT）及空中（OTA）測試。此舉將能於各測試階段中擷取數據分析資料並最終加以優化，同時仍能發揮規模經濟的效益。
泰瑞達的毫米波測試解決方案
若您覺得這一切聽起來過於理想化且理論化，其實並非如此。泰瑞達（Teradyne）新款UltraWaveMX53 儀器能夠支援 5G FR2 頻段，並涵蓋 23.8 至 52.6 GHz 的完整授權頻率範圍。
UltraWaveMX53 不僅在整個頻譜範圍內UltraWaveMX53 無與倫比的性能，還具備完全整合的溫度穩定與校準功能。其每通道整合式合成器架構，可提供業界頂尖的相位噪聲表現。這進而使調變波形的信源與測量功能具備卓越的誤差向量幅度 (EVM) 表現。
此外UltraWaveMX53 高度的靈活性，幾乎能適應任何生產環境。該設備提供多種配置，可支援所有常見的半導體插入方式（例如 WS、FT、OTA）。同時，每種配置均配備 16 個埠，每個埠包含兩個完全獨立的通道，頻率範圍最高可達 52.6 GHz。
當然，這解決了上述提到的迫切技術問題。但經濟層面又該如何呢？
我們的 UltraFLEX 平台也能滿足這項需求。由於這款交鑰匙儀器具備四站點測試能力，每個站點可容納四 (4x) 個被測裝置 (DUT)，在確保測試嚴謹性的同時，大幅縮短測試時間。這項平行測試功能，是將生產規模擴展至商業級別的重要推手。
結論
毫不誇張地說，5G 標誌著無線通訊的新時代，尤其是隨著毫米波技術的部署。這項獨特的 5G 標準開創了嶄新的應用領域，將帶動消費者與企業的雙重需求。而我們的全新產品UltraWave MX53，則完美地與我們現有的 5G 產品陣容UltraWaveMX8、MX20e 及 MX44e——相輔相成。
然而，毫米波技術也將對半導體生態系統產生深遠影響，其中最關鍵的原因在於它帶來了諸如需要更完善的測試與校準等新挑戰。元件製造商必須意識到這些挑戰，並制定一套既能達成技術目標，又能滿足經濟效益的測試策略。 在現階段，採取迭代式方法來制定此測試策略是明智之舉，但有一點是確定的：任何策略的核心，都在於一位值得信賴的合作伙伴，以及一套能兼具頂尖性能與卓越測試成本效益的交鑰匙解決方案。
從設備到專業技術，泰瑞達（Teradyne）是全球供應商測試策略中不可或缺的一環，這些供應商正積極推動毫米波技術的商業化。因此，我們也在不斷進化。 我們對毫米波商業化進程的貢獻在於適應半導體生態系統的每項變革，而我們的支援服務——包括應用輔導、裝置介面解決方案、工程服務及 軟體服務——則確保整個商業化進程的成功。正因如此，半導體產業才信賴我們，因為我們擁有經實證的方法，能滿足大規模量產在技術與經濟層面的雙重需求。
無論您的組織是否已身處毫米波領域的前沿，或正計劃進軍此領域，我們的專業見解都能為您提供助力。歡迎聯絡我們，共同探討您在毫米波生產過程中面臨的挑戰，並攜手尋求高度優化且具成本效益的解決方案。歸根結底，您的成功就是我們成功的標竿。
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。
羅德里戈·卡里略-拉米雷斯 擁有超過 20 年的毫米波解決方案設計經驗，最初任職於 Analog Devices，現任泰瑞達（Teradyne）毫米波工程經理。他持有麻省大學阿默斯特分校（University of Massachusetts, Amherst）的電機與電腦工程博士及碩士學位，以及墨西哥國立大學（National University of Mexico）的電機與機械工程學士學位。