毫米波设计的5G芯片测试面临新挑战

2021-07-30 17:33

波束成形和回环

波束成形使用天线阵列元素的相位差来引导光束向特定方向移动,给测试程序带来了其本身的挑战。波束成形能够提高能源使用效率,因为给定5G用户的信号直接传输给用户,而不是像传统技术一样向四面八方传播。大部分广播信号的能量被浪费了。

图3:第一幅图显示了当今的典型情况,其中信号广播时,大部分信号被浪费。波束成形仅将能量集中在所需的目标上,如第二幅图所示,其余浪费的能量被节省下来。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

“快速光束转向是这些设备的一个基本特征,通过在设备寄存器中存储预先定义的状态来实现,然后根据需要调用这些状态,从而大大提高了设备的响应速度。”Marvin Test Solutions营销总监 Joe Semancik表示。

但测试效果仍需要进一步验证。“在这些毫米波设备中,我们仍然能看到传统的无线电测试(即增益、相位噪声、调制质量等),波束成形仪器的加入要求自动测试设备在不同天线元件连接上测试绝对和相对的相位/增益等。”Pruitt表示。“能够校准自动测试设备硬件的相位和振幅,并向测试设备提供信号去嵌入,对于实现质量性能测试至关重要。”

通过接触测试,可以利用测量天线元件之间的相位关系来确保它们正常工作。对于封装部分,这是通过连接天线下的焊球来完成的。

对于OTA测试,需要多个接收器补丁天线。一个可以用作参考,另一个则相对于第一个进行测量。测试相位差的范围是0°到180°。

作为任何收发器设计都熟知的概念,回环是OTA测试的一个替代选项。回环需要一个独立的收发器,传输一个信号,然后将信号传回同一收发器内的接收器。通过电线或切换连接,回环在低频中很容易实现,但其在毫米波频率中却很难实现。

内部回环测试的一个好处是绕过机械测试设置。“无需考虑环境,也无需考虑测试效果,”Kwan解释道。“因此,这与黄金样件设备测试一样好,在这种测试中,一个好的收发器会传输信号,然后相同的收发器会测量信号。

图4:实验中,发送器(TX)向天线发送信号,接收器从天线接收信号。出于测试目的,回环将传输的信号直接传回接收器。(图源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering)

然而,在这些频率下回环并不容易。“没有多少无晶圆收发器玩家能够部署回环,”Kwan表示。以及一些可以将这些电路视为关键IP的公司也没有能力部署。

回环在测试设备上实施尤其困难。“一毫米的发送线就能完全改变工作频谱,”Kwan表示。“因此在负载板上进行回环需要非常小心。”

但是,即使成功,回环测试的效果也不是最佳。首先,完整的封装和天线没有考虑周到。其次,据Kwan称,黄金样件设备的测试可能有误。客户更感兴趣的是让设备进行客观的测量,而不是使用相对测量。

“现在,很多客户要么进行回环测试,要么单独测试天线,”Kwan表示。“未来,他们需要能够在大批量生产中测试完整的AIP模块。”

提升吞吐量

多站点测试是降低成本、提高吞吐量的必选途径。在进行接触式测试时,此类测试非常简单。但是在封装部分进行OTA最终测试时,这意味着多个芯片需要在互不干涉的情况下同时进行测试。Advantest声称已为此找到合适的解决方案,可以同时进行八站点测试。

跨频段的平行测试也有可能实现。“如果系统有能力在不同端口处理多个频率,则可以同时测试sub-GHz和毫米波频率。”Kwan表示。每个频段都有独立的前端,因此测试不同频段需要能够同时驱动多个独立射频信号。

这对于同一频段内的多个通道是不同的。每个通道有100MHz带宽,并共用同一前端。这意味着测试者可以将不同通道的信号混合至相同的前端,并同时使用全双工驱动所有通道。这和实际系统中的情况类似。

对于波束成形,也可以同时在不同通道上进行独立测试。一个通道可以驱动另一个通道向左发射光束,同时另一个通道向右发射光束。然后由接收器将结果拆分为独立通道进行验证。

芯片上也可能有更多的射频电路,电路板上很可能同时有数字电路——至少用于控制射频模块。数字电路可以与射频以相同的插入方式进行测试,因此不需要单独的测试人员或插入。

当查看所有正在测试的各种芯片时,其中的小部分芯片有可能需要进行毫米波测试。

“如果你要使用几十个需要200个毫米波线路的芯片之一,而你在工厂中运行的所有其余芯片都不到20个,那么你真的要建立一个能够处理所有这些事情的专用测试仪器吗?还是要尝试找出其他方法呢?”Cleary问道。“客户想要的是拥有一个测试仪器,该测试仪器涵盖了他们测试计划中大多数芯片所需的核心功能,然后能够在探针卡上进行扩展,以满足不同的产品组合。”

在节省测试仪器成本的同时,也会使负载板更加昂贵、更加复杂,需要射频开关和上下变频器等组件。

从经济效益来看,通常需要更少的成本注入,但也有例外发生。“客户的权衡是所有非射频测试都承担了与毫米波测试相关的额外成本,”Pruitt指出。“在一些案例中,我们看到客户通过多次投资将一些非射频测试(主要是DC和扫描)与射频测试分开了。”

终极难题:成本

毫米波测试已经解决了很多技术性难题。虽然其他问题依然存在,但最大的挑战是成本。尤其是对OTA测试来说,毫米波测试过于昂贵,这就导致毫米波测试的采用率逐渐下降。

“测试毫米波频率并不便宜,”Cleary表示。“这不适合财政空虚的企业。”

值得庆幸的是,毫米波测试的技术将会在下一代移动通信技术上应用并发扬光大。“6G应用的落地可能还需要十年时间,但是他们正在讨论将来采用哪些频段。”Kwan指出。这些通信技术的频率似乎呈现出不断增长的趋势。

但这并不意味着不会再有更多工作可做。“他们谈论的工作频率高达200GHz,”Lord表示,“如果工作频率达到了这些频率,问题将会变得更加复杂,因为没有单一的连接器能够覆盖如此广泛的范围。”

因此,我们需要更多创造性工程,来为下一代移动通信技术开发更具经济效益、成本更低的解决方案。

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