7月26日，華為正式發(fā)布了旗下首款量產(chǎn)上市的5G智能手機(jī)——Mate20 X 5G版，定價為6199元，并于當(dāng)天開售接受預(yù)約。而截至8月15日中午12點(diǎn)，華為Mate 20 X 5G版的預(yù)約量已突破100萬臺。

今天（8月16日）上午10點(diǎn)，華為首款5G手機(jī)Mate 20 X 5G版正式開售。其中天貓作為Mate 20 X 5G版發(fā)售的第一陣地，僅一秒就售罄了，足見Mate 20 X 5G的受歡迎程度。

特別值得一提的是，Mate 20X 5G版是世界唯一商用搭載雙7nm 5G終端芯片模組、唯一商用支持SA/ NSA 5G雙模、首個中國5G進(jìn)網(wǎng)許可證、首個泰爾5G通信能力五星證書、首個GCF 5G能力認(rèn)證證書的手機(jī)。

華為終端手機(jī)產(chǎn)品線總裁何剛強(qiáng)調(diào)，5G時代華為擁有領(lǐng)先的端到端5G研發(fā)與產(chǎn)品能力，包括5G算法、5G終端芯片、5G手機(jī)、5G CPE、5G無線設(shè)備、5G傳輸設(shè)備、5G核心網(wǎng)和5G云服務(wù)與內(nèi)容等。而華為在擁有這些5G能力的背后則需要解決非常多的技術(shù)挑戰(zhàn)。

為進(jìn)一步提高頻譜效率、克服傳播損耗等問題，5G大規(guī)模天線基站普遍采用波束成形技術(shù)?；疽ㄟ^波束掃描找到手機(jī)，然后手機(jī)和基站之間通過業(yè)務(wù)波束信號建立業(yè)務(wù)交互。這是一個很吸引人的設(shè)計(jì)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來也是非常復(fù)雜的。波束使用同頻還是異頻，波束參數(shù)，信號質(zhì)量、端到端性能，OTA射頻性能等看起來簡單幾個問題，其實(shí)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真階段就要考慮進(jìn)來，一個成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠顯著降低產(chǎn)品生命周期各階段的風(fēng)險。

無線測試大規(guī)模MIMO和波束成形

在大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，基站天線的數(shù)量遠(yuǎn)超用戶終端的數(shù)量。因此，5G標(biāo)準(zhǔn)納入了多用戶MIMO(MU-MIMO) 技術(shù)，其中基站向有源天線系統(tǒng)饋送預(yù)編碼信號，然后在空間上將多路同步數(shù)據(jù)流發(fā)送給多個用戶，用戶端的每個接收器均可選擇其所需的數(shù)據(jù)流。為了實(shí)現(xiàn)該空間多路復(fù)用，gNB需要將輻射能量通過波束成形技術(shù)集中至各個接收器。基于波束成形技術(shù)，工程師可以實(shí)現(xiàn)MU-MIMO，以提高gNB容量并減少發(fā)射過程中的能量消耗。

圖：通過波束成形實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用

隨著5G商業(yè)化的逐步實(shí)現(xiàn)，由于管理和測試數(shù)十甚至數(shù)百個連接會增加復(fù)雜性和成本，占用較大的物理空間以及引入更高的插入損耗，許多波束成形系統(tǒng)可能會放棄使用天線連接器。目前的趨勢是使用片上天線(AoC)和封裝天線(AiP)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)毫米波頻率下的波束成形，但這種設(shè)備沒有可用的RF測試端口，迫使業(yè)界亟需尋找可以使用OTA輻射測試方法來進(jìn)行設(shè)備特性分析的測試系統(tǒng)。

通過OTA進(jìn)行準(zhǔn)確的特性分析

在許多情況下，使用50Ω儀器進(jìn)行測試時，PA輸出的行為會與PA連接到天線陣列時的行為有所不同。這會使等效全向輻射功率(EIRP)和總輻射功率(TRP)測量值產(chǎn)生誤差。在接收器端，當(dāng)接收到的信號通過帶通濾波器時，接收器路徑評估并不會對天線阻抗過度敏感。但是5G AoC和AiP設(shè)備的天線會與無線電緊密耦合，導(dǎo)致無線電噪聲可能會改變天線溫度，從而影響有效全向同性靈敏度(EIS)和總接收靈敏度(TIS)。當(dāng)天線的噪聲與無線電的噪聲耦合時，OTA測量可以更準(zhǔn)確地測量芯片組的實(shí)際RF性能。

遠(yuǎn)場測量挑戰(zhàn)

隨著轉(zhuǎn)向使用OTA測試方法，工程師所面臨的挑戰(zhàn)是建立動態(tài)OTA測試系統(tǒng)來準(zhǔn)確測試RF性能。因此，工程師將DUT放置在電波暗室內(nèi)受控的RF環(huán)境中，與測量系統(tǒng)呈一定距離和角度，進(jìn)行OTA特性分析和驗(yàn)證測試。

圖：天線測量區(qū)域

為避免使用大型RF暗室，許多研究人員正在研究近場測試，但是采樣天線的安裝位置如果過于靠近DUT，會引起諸多問題。如果要正確分析半導(dǎo)體特性，需要做到以下幾點(diǎn)：避免將DUT能量耦合至輻射近場的測量系統(tǒng)；不僅要準(zhǔn)確采集幅度數(shù)據(jù)，也要準(zhǔn)確采集相位數(shù)據(jù)，以便正確進(jìn)行近遠(yuǎn)場測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；評估EVM、ACLR或SEM，因?yàn)榻h(yuǎn)場變換最適合載波傳播測量，但結(jié)果不如高帶寬調(diào)制信號可靠。

對于波長僅為幾毫米的毫米波設(shè)備，合理設(shè)計(jì)的RF暗室并不需要像sub-6 GHz設(shè)備的測試裝置那么大型。5G毫米波OTA RF 機(jī)箱可以是1m甚至更短，以滿足遠(yuǎn)場測試條件。這里的主要挑戰(zhàn)包括，采樣天線的位置；DUT定位器的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)至少具有兩個可維持參考極化方向的自由軸；機(jī)箱的屏蔽性能；能夠進(jìn)行熱循環(huán)測試，不會因環(huán)境問題對暗室造成損害；正確分析靜區(qū)的性能，靜區(qū)是一個矩形體，其中墻壁、地板和天花板所反射 的電磁波應(yīng)低于規(guī)定的最小值。

圖：5G OTA測試系統(tǒng)

由于陣列大小隨波長而發(fā)生變化，在毫米波頻率下將所有電子器件安裝在陣列中變得越來越困難。也就是說，當(dāng)元件數(shù)量相同時，20 GHz用的陣列的大小是40 GHz用的陣列大小的兩倍。另外，兩個頻率下的天線陣列的輻射功率可能相同，但是40 GHz設(shè)備消耗的直流功率是20 GHz設(shè)備的四倍。這使得工程師必須設(shè)計(jì)、充分分析并測試設(shè)備，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒峁芾砗徒殿~處理。而且每條傳輸路徑和每個天線元件可以承受的功率電平也有限制。

就接收器路徑而言，難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)低噪音系統(tǒng)并分析天線增益對于接收器噪聲、溫度或G/T的影響。這增加了接收鏈路在設(shè)計(jì)和測試方面的負(fù)擔(dān)。此外，天線與LNA之間的損耗會直接降低接收器靈敏度。

圖：每個天線陣列元件的平均接收功率

然而暗室內(nèi)的材料，例如RF吸收泡沫和機(jī)械定位器部件，可能會由于頻繁的溫度和濕度波動而受到損壞。OTA特性分析的一部分難點(diǎn)在于進(jìn)行有效的熱測試，以最小化熱質(zhì)量并避免損壞暗室或干擾RF測量。

空間掃描測試挑戰(zhàn)

3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的OTA測試程序可幫助工程師根據(jù)波束中心、波束寬度、EIRP、TRP和靈敏度確定新的波束成形性能。

圖：OTA TX和RX測試程序

OTA校準(zhǔn)程序

首先是使用增益已知的饋送天線和基準(zhǔn)天線來校準(zhǔn)測量值。校準(zhǔn)過程需要測量整個發(fā)射和接收路徑的復(fù)合損耗。這包括所有天線和放大器增益，以及信號通過空中接口、電纜、開關(guān)和組合器等的損耗。工程師針對每個測量路徑和每個極化重復(fù)校準(zhǔn)測量。

3D天線方向圖

系統(tǒng)校準(zhǔn)后，工程師將調(diào)制的5G測試信號饋送到DUT，并使用如下圖所示的網(wǎng)格分別對每個正交極化執(zhí)行空間掃描。之后測量系統(tǒng)返回DUT的3D天線方向圖和發(fā)射波束峰值方向。然后工程師驅(qū)動DUT，使其在后續(xù)測試期間保持鎖定在該特定方向。

輻射功率和調(diào)制測試

工程師不僅需要通過測量特定方向的EIRP來分析設(shè)備的特性，而且其測試解決方案還必須整合每個極化的網(wǎng)格上每個點(diǎn)處測量得到的功率，以便計(jì)算TRP。 除獲得這些結(jié)果所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)外，EVM、ACLR和頻譜發(fā)射等傳統(tǒng)測量現(xiàn)在也與空間密切相關(guān)。測試區(qū)域(靜區(qū))中的反射信號必須進(jìn)行衰減，直至測量不確定性(MU)維持在預(yù)設(shè)值以下。例如，3GPP關(guān)于測試方法5的研究指出， 為了測量EVM，工程師必須： 使用預(yù)定義的網(wǎng)格，通過3D EIRP掃描找到TX波束峰值方向；在測試期間將波束鎖定在該方向上；測量EVM以獲得調(diào)制信號的Φ和θ極化 。

圖：OTA空間掃描網(wǎng)格

接收器測試

在測試完整的5G無線電時，測量系統(tǒng)通過下行信號來與DUT建立連接。測試系統(tǒng)必須確定每個極化的功率電平(吞吐量超過指定參考測量信道的要求時的θ和?值)。然后系統(tǒng)返回接收波束峰值方向，此方向的EIS最小?；谶@一接收波束峰值方向，可分析接收器的動態(tài)范圍及其在θ和?極化下抑制通道內(nèi)分塊信號的能力。這便提出了一個挑戰(zhàn)：同步生成5G信號來連接DUT和寬帶干擾源。

細(xì)空間網(wǎng)格和測試時間挑戰(zhàn)

當(dāng)工程師使用3GPP指定的網(wǎng)格進(jìn)行OTA分析和驗(yàn)證測試時，他們可能會發(fā)現(xiàn)其測量精度需要提高。這是因?yàn)椴ㄊ逯捣较蚩赡軣o法與空間中的采樣點(diǎn)完全對齊，從而產(chǎn)生測量誤差。

圖：粗采樣網(wǎng)格引起的波束峰值測量誤差

毫米波測量 - 不確定性挑戰(zhàn)

采用OTA測試解決方案的工程師應(yīng)綜合考慮這些因素，才能為所有測量結(jié)果計(jì)算誤差范圍。這些不確定性來源可分為系統(tǒng)誤差、校準(zhǔn)測量誤差、DUT測量誤差三大類。而減小OTA測量不確定性的更深一層解決方案是，將不確定性來源分離到系統(tǒng)子組件中：測量設(shè)備、暗室、定位器、測量和基準(zhǔn)天線。

測量設(shè)備挑戰(zhàn)

在校準(zhǔn)毫米波設(shè)備OTA測試系統(tǒng)的總路徑損耗時，工程師必須準(zhǔn)確地測定寬帶RF功率。在毫米波頻率下校準(zhǔn)功率測量值首先需要使用多個二極管傳感器來覆蓋所需的頻率范圍，但這項(xiàng)技術(shù)正在轉(zhuǎn)向基于熱電偶技術(shù)的寬帶功率傳感器。工程師可以校準(zhǔn)從24 GHz到52 GHz的5G毫米波頻段的寬帶功率。此外，使用單一連接可減少使用多個傳感器可能產(chǎn)生的誤差。

當(dāng)使用矢量信號發(fā)生器和分析儀切換到連續(xù)波和調(diào)制波形測量時，由于儀器的插入損耗、輸出和輸入阻抗匹配以及平坦度和幅值精度規(guī)范，工程師必須考慮信號路徑上的總體不確定性。此外還需要考慮在低信噪比測試場景中，噪聲作為系統(tǒng)誤差源產(chǎn)生的影響。

射頻暗室測量挑戰(zhàn)

頻率和空間上的功率和相位變化是由測量天線處直接波和反射波矢量迭加引起的。

工程師在創(chuàng)建靜區(qū)并測量其性能時，面臨的一個巨大的挑戰(zhàn)是將基準(zhǔn)天線放置在各個參考點(diǎn)和方向的情況下進(jìn)行測量。由于存在離軸指向，因此他們通常需要校正測量距離和天線方向性方面的差異。

圖：分析NR毫米波靜區(qū)的性能

定位測量挑戰(zhàn)

通常由于定位器的機(jī)械間隙或不確定性，或者夾具松動導(dǎo)致DUT安裝不一致，也會出現(xiàn)角度偏差的情況。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腄UT定位器設(shè)計(jì)還可以避免由于相位中心偏離旋轉(zhuǎn)軸而引起的誤差。

圖：DUT相位中心偏離旋轉(zhuǎn)軸

驗(yàn)證基準(zhǔn)天線和測量天線是否對齊也很重要，這可以避免降低基準(zhǔn)天線對測量天線的增益，特別是因?yàn)橄到y(tǒng)校準(zhǔn)需要使用最大天線增益來計(jì)算路徑損耗。

圖：天線指向不一致

天線測量挑戰(zhàn)

暗室內(nèi)的天線對與其自身極化進(jìn)行交叉極化的入射場分量具有有限的隔離作用。即垂直極化天線接受來自水平極化信號的部分功率，反之亦然。這會影響測量結(jié)果，具體取決于交叉極化隔離度。在最壞情況下，天線會發(fā)生明顯的交叉極化泄漏，垂直和水平方向上均出現(xiàn)入射波形，并且泄漏分量完全同相。

圖：交叉極化鑒別率

工程師還必須處理來自基準(zhǔn)天線饋源電纜的另一個誤差源，該來源僅出現(xiàn)在校準(zhǔn)階段，并且在測試DUT時可能會消失或改變。布線、彎曲和旋轉(zhuǎn)接頭也會影響測量結(jié)果。

程序測量挑戰(zhàn)

如上所述，校準(zhǔn)階段和DUT測量階段之間的插入損耗變化也會引入了不確定性。也就是說，校準(zhǔn)天線可能可以更好地匹配50 Ω儀器，并且布線也不同于DUT。此外，工程師可能不知道某些DUT中天線陣列的確切位置，也會引入不確定性，因?yàn)闇y試夾具上的天線位置與預(yù)期不同。

圖 ：“黑盒”測量的距離不確定性

對于需要進(jìn)行RF-RF或IF-RF OTA性能分析或AiP器件或天線模塊設(shè)計(jì)驗(yàn)證的毫米波半導(dǎo)體工程師而言，NI毫米波OTA參考設(shè)計(jì)使其能夠準(zhǔn)確測量DUT在所有傳輸方向上的完整輻射場。

通過硬件定時的運(yùn)動控制，加快測試速度

NI OTA參考解決方案實(shí)現(xiàn)了基于硬件的實(shí)時運(yùn)動控制系統(tǒng)，可以更加快速地驅(qū)動DUT定位器，更加迅速地掃描空間網(wǎng)格，同時觸發(fā)5G RF快速測量。這樣可縮短測試時間，提高可重復(fù)性，并減少測量儀器和運(yùn)動組件之間的非確定性關(guān)系。

NI毫米波OTA參考解決方案將實(shí)時運(yùn)動控制與毫米波VST的寬帶功能、高隔離度電波暗室、DUT 定位器以及RF透明熱機(jī)箱(如果需要)集成在一起，可用于分析DUT的溫度特性。

圖：NI毫米波OTA參考解決方案簡圖

快速執(zhí)行后，測試定序器會為工程師提供測量結(jié)果，如EIRP、TRP、EVM、半功率帶寬等。此外，工程師還可以利用各種可視化工具，例如一維切片分析、一維極坐標(biāo)圖、三維天線方向圖、熱圖和最佳波束索引。

毫米波OTA參考解決方案的圖形化用戶界面提供了一種方法，能讓客戶使用許多不同測量參數(shù)、掃描參數(shù)和連接設(shè)置來配置執(zhí)行。它還可以執(zhí)行后處理算法，并以易于理解的報告形式顯示測量結(jié)果。

RF暗室及其靜區(qū)、校準(zhǔn)天線和參考定位器在測試解決方案中都起著至關(guān)重要的作用。NI的這些元件均可提供出色的RF性能，快速平穩(wěn)的運(yùn)動，以及可靠且可重復(fù)的定位精度，而不會影響針對不同類型的DUT的定位靈活性。

過渡至批量5G設(shè)備生產(chǎn)

無論是研發(fā)階段還是生產(chǎn)環(huán)節(jié)，5G新空口設(shè)備的寬前端模塊、PA和其他RFIC在進(jìn)行特性分析和驗(yàn)證時始終面臨著一些挑戰(zhàn)。每當(dāng)談及OTA測試解決方案，就不會不提到RF暗室，RF暗室已然成為OTA測試解決方案的必要組件。對于設(shè)計(jì)分析、驗(yàn)證、合規(guī)性和一致性測試，適當(dāng)?shù)腞F暗室可提供安靜的RF環(huán)境，確保設(shè)計(jì)滿足所有性能和法規(guī)要求，并具有足夠的裕量和可重復(fù)性。然而對于批量生產(chǎn)來說，傳統(tǒng)的微波暗室會占用大量的生產(chǎn)空間，并增加資本支出。

為解決上述問題，市場上出現(xiàn)了具有 OTA 功能的 IC 測試插座(帶有集成天線的小型RF外殼)， 從而將半導(dǎo)體 OTA 測試功能小型化(如下圖)。盡管測量天線距離 DUT IC 只有幾厘米，但是對于每個天線元件的遠(yuǎn)場測量來說，這個距離已經(jīng)足夠。不過，小型測試插座存在反射問題，反射會妨礙整個天線陣列的波束成形測量，這種測量的遠(yuǎn)場距離一般是 10 厘米甚至更遠(yuǎn)。因此，工程師需要特定的DUT測試模式，使其能夠單獨(dú)訪問每個元件，并能夠創(chuàng)建可列表的測試序列，以便減少軟件與DUT和測試儀器的交互作用，從而提高測試執(zhí)行速度。

圖：用于多站點(diǎn)測試的RFIC OTA測試插座

即使采用小型RF外殼，工程師也面臨著OTA鏈路預(yù)算有限而帶來的測試挑戰(zhàn)。例如，在28 GHz 時，DUT和天線之間僅僅10 cm的距離也會導(dǎo)致自由空間路徑損耗超過30 dB(包括發(fā)射和接收天線的增益)，而如果使用同等長度的同軸電纜，損耗僅為1 dB左右。對于接收機(jī)IP3測量，OTA方法要求測試儀器在發(fā)射天線處生成高出30 dB的輸出功率，才能在DUT處獲得同等水平的接收功率。這對于基于RF暗室的OTA配置來說可能是一個挑戰(zhàn)，而對于位于1.5厘米遠(yuǎn)的OTA插座式解決方案而言，所需的傳輸功率要低得多。

另一種OTA測試方法是生產(chǎn)測試系統(tǒng)采用更長的RF機(jī)箱這里的測試挑戰(zhàn)在于識別芯片和封裝基板之間的連接是否斷開或很弱，同時還要測量封裝內(nèi)天線的質(zhì)量。

新的測試平臺還必須能夠應(yīng)對目前5G設(shè)備對測試需求所提出的挑戰(zhàn)，例盡管眾多制造商仍在繼續(xù)研究如何充分測試24至52GHz頻段內(nèi)的設(shè)備，但研究人員也在探索WLAN IEEE 802.11所定義的57至66GHz頻段內(nèi)的協(xié)議共存，以期不斷突破頻率和互操作性的局限性。

如上文所述，NI用于特性分析和驗(yàn)證任務(wù)的模塊化測試平臺可完全滿足生產(chǎn)車間的測試需求，這要?dú)w功于其較小的占地面積、較低的成本以及自動化設(shè)計(jì)。該解決方案結(jié)合了數(shù)十個雙向RF端口，可直接用于5G測試，并與高端臺式儀器的寬帶性能相匹配，同時每分鐘可以測試更多設(shè)備。

對于外包半導(dǎo)體組裝和測試公司而言，設(shè)計(jì)5G可擴(kuò)展性并預(yù)測新生半導(dǎo)體技術(shù)變得至關(guān)重要。將測試技術(shù)更快地推向市場的最有效方式是設(shè)計(jì)一種模塊化測試架構(gòu)，通過內(nèi)置的靈活性來優(yōu)化初始測試功能或添加新測試功能，以滿足未來需求，避免系統(tǒng)快速被淘汰。

NI將所有這些功能集成到單平臺測試解決方案中，不僅可直接用于量產(chǎn)環(huán)境，而且還能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式快速、可靠地進(jìn)行5G測試，同時最大限度地降低費(fèi)用和占地面積要求，從而讓生產(chǎn)投資回報最大化。雖然專為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的大型毫米波測試儀器在尺寸和價格上不斷增大，但NI將PXI 毫米波VST的強(qiáng)大功能和高性價比直接納入到適用于量產(chǎn)的ATE中。

圖：基于半導(dǎo)體測試系統(tǒng)的毫米波生產(chǎn)解決方案

如今開發(fā)周期正不斷縮短，靈活且可擴(kuò)展的測試系統(tǒng)對于 OTA 測試來說至關(guān)重要。為保證5G商用的快速落地，NI 將繼續(xù)與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)保持密切合作，采用平臺化方法，開發(fā)高度模塊化的RF儀器和軟件定義的測試策略和解決方案。