【導讀】無線技術在過去的20年里快速從3G發(fā)展到4G，現(xiàn)在已到了5G的時代。有一個技術問題一直貫穿這一發(fā)展的過程，即高頻器件的自動校準測試。
摘要
無線技術在過去的20年里快速從3G發(fā)展到4G，現(xiàn)在已到了5G的時代。有一個技術問題一直貫穿這一發(fā)展的過程，即高頻器件的自動校準測試。
RF ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)面臨的最困難的挑戰(zhàn)是校準、可重復性和測試結果的關聯(lián)度。未來的無線技術的發(fā)展需要5G NR器件。Teledyne e2v的四通道多輸入端口ADC利用非并行片上高頻交叉點開關輸入電路技術，使用戶可在RF ATE和/或現(xiàn)場測試環(huán)境中使用自動校準和測量技術。
Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190（采用交叉點開關輸入電路技術的12位和10位四通道ADC）使RF ATE和現(xiàn)場測試設備的開發(fā)可以集中于單通道和多端口5G NR設備的自動校準測試和測量。
兩代之間的問題
5G是通信行業(yè)的第五代蜂窩網(wǎng)絡技術標準，從2019年開始在世界范圍應用。5G是現(xiàn)在大多數(shù)手機使用的4G網(wǎng)絡的繼任者，帶寬更大，下載速度高達10 Gbit/s。 由于帶寬的增加，現(xiàn)在的4G手機將無法使用新的網(wǎng)絡，這種新的網(wǎng)絡需要支持5G的無線設備。另一方面，5G也需要兼容諸如帶寬等所有的4G網(wǎng)絡需求。因此，為了保證廣泛的服務，5G網(wǎng)絡將工作在三種頻段：低頻段、中頻段和高頻段。
低頻段5G(也稱作次1 GHz)使用和4G(600-700 MHz)相似的頻率范圍，可支持稍高于4G的下載速度(30-250 Mbit/s)。
中頻段5G(也稱作次6 GHz)的頻率范圍是2.5-3.7 GHz(下載速度是100-900 Mbit/s)。這一服務將在2020年覆蓋大多數(shù)的大城市區(qū)域。
高頻段5G(也稱作毫米波)使用26、28或39 GHz的頻率。上述的5G頻段都在2020年經(jīng)過測試，而新的中頻段(次6 GHz)預計在將來的幾個月或幾年內(nèi)實現(xiàn)（當前有超過50個5G NR中頻段在世界范圍內(nèi)使用）。
2018年，一個5G的行業(yè)聯(lián)合標準（第三代合作工程（3GPP))定義了使用5G NR(5G新無線電）軟件的系統(tǒng)。5G最終將支持大約每平方千米1M個設備，而現(xiàn)在的4G支持大約每平方千米100K個器件。當然，5G無線設備將兼容4G LTE功能，因為新的5G網(wǎng)絡將使用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡初步實現(xiàn)手機的連接。關鍵是，未來的5G器件不僅需滿足不斷發(fā)展的5G性能需求，還需兼容之前的2G/3G/4G/5G(GSM/EDGE/CDMA/UMTS/WCDMA/LTE/LTEA/TD-SCDMA/TD-LTE等）。
因此，未來的5G NR ATE系統(tǒng)需使用一種可靠的、可重復的方式在較寬的頻率范圍測試器件的性能，這種方式需支持自動校準和測量以確保結果相互關聯(lián)并減少測試誤差。
誤差帶來的麻煩
參數(shù)化RF ATE測量環(huán)境DUT（測試的器件）外部的不確定度/誤差需要采用能準確并可靠測量DUT/產(chǎn)品性能的測量方法以提高測量的精確度。測試并量化測量的不確定度是獲得理想測量結果的關鍵。
一般來說，測量結果的準確度通常是值得懷疑的，因為所有的測量都受物理和電氣環(huán)境的影響，并受到使用的源/測試器件/儀器的限制。因而，測量的值永遠不會等于測試的DUT/性能的真實值。測量值和真實性能值之間的差別叫做誤差。依據(jù)誤差的來源（DUT外部），這些誤差可被大致地分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差。隨機誤差是隨機的，它們來源于測試設備和測試環(huán)境的不可預測的時間或空間變化。通常難以追蹤和量化隨機誤差如何影響DUT的測量結果。隨機誤差主要由RF ATE環(huán)境的變化引起，如溫度變化、連接變化、儀器噪聲和失真，也包含連接和線纜的誤差。
系統(tǒng)誤差是可重復的誤差，一般可以被修正，但無法全部消除。系統(tǒng)誤差僅可被減小到某個程度。校準的概念通常指估算RF ATE測試環(huán)境中的系統(tǒng)誤差并修正。為了成功修正系統(tǒng)誤差，通常需要校準的標準或參考的器件。這個標準或參考器件應該能以較高的精確度代表或復現(xiàn)某個測量流程。校準流程一般是用測量系統(tǒng)測量/測試這個標準/參考器件，并將測量結果存儲為原始數(shù)據(jù)。通過比較這個標準/參考器件的原始測量數(shù)據(jù)和已知的數(shù)值，可計算出系統(tǒng)誤差。這個誤差的值隨后被用于修正測量結果。不幸的是，對于5G NR ATE測試設備，包括DIB(設備接口板）、探針卡、線纜和連接等，標準/參考器件有各種各樣的高頻率和測試條件，這使得問題變得非常復雜。另一種校準的方法是定義一個參考平面。這個參考平面是通過估算并修正測試系統(tǒng)環(huán)境的系統(tǒng)誤差得出。不幸的是，隨機誤差無法通過參考平面環(huán)境修正。當前RF/5G NR ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)環(huán)境迫切需要一種使用自動/校準和測量技術為每個DUT創(chuàng)建一個參考平面的解決方案。
獨立器件的自動校準和測試測量
為RFATE環(huán)境中的每個DIB(設備接口板)/DUT創(chuàng)建一個參考平面需要定義一個校準流程（圖1a和1b)。 校準通常使用一套標準。理想狀態(tài)下，這個標準采用一個“金參考器件”DIB/DUT，與通常的DIB/DUT測量(步驟2)相比，其累計誤差只有不到一半或四分之一（步驟1）。如果可得出這一誤差（ 步驟1），則可認為標準的累計測量方法足以滿足實際的DIB/DUT測試（步驟2）。一直維持RF ATE環(huán)境中不同的頻率、噪聲和電壓條件下最小的“金標準/參考器件”測量誤差是一件非常困難、耗時和昂貴的工作。
當然，器件的互聯(lián)和變化也會顯著影響創(chuàng)建標準的參考平面和DIB/DUT的校準（包括多設備接口板（DIB）異常、DIB/DUT接觸/器件變化、線纜/連接器阻抗、源/測量儀器變化等）。考慮到上述的內(nèi)容，5G NR設備的校準流程需使用一套標準的手動的測試方法創(chuàng)建參考平面（引入大的隨機誤差），然后采用自動測
試方法去除系統(tǒng)誤差源。
圖2表示一個通用的6腳（表面貼裝封裝）的5G NR低噪聲放大器(LNA)產(chǎn)品/DUT(不連接外圍器件）。這個LNA的測試樣本需在RF ATE環(huán)境下測試，這個環(huán)境需要在測試之前校準，以確定參考平面。典型的用于LNA的RF ATE測試包括：
• 工作頻率范圍（有超過50個5G NR網(wǎng)絡頻帶）
• 增益/插入損耗
• 頻率范圍的增益平坦度
• 噪聲圖
• 輸入/輸出回波損耗
• 輸入IP3
• 輸出IP3
除了測試這種LNA設備，實際的RF ATE環(huán)境還需擁有測試其它類型的5G NR類型設備（耦合器、衰減器、濾波器、VGA等）的能力。因此，還需考慮多端口測試的情況。
圖3表示相同的通用6腳（表面貼裝封裝）5G NR低噪聲放大器(LNA)產(chǎn)品/DUT，但是帶有正常工作所需的外部器件。這些器件盡可能近地安裝在DIB上。實際上，由于高頻激勵，圖3的測量和校準比圖2復雜得多。DUT和DIB之間的異常包括：
• 衰減器不匹配和損耗誤差（需要阻抗匹配和改變DUT輸入/輸出電平）
• 輸入和輸出之間的電感性能變化
• 控制線和門驅(qū)動之間的相互作用的變化
• 接地環(huán)路
• 線纜/連接阻抗
• 每個測試模塊的測試系統(tǒng)連接的阻抗變化
如前所述，隨著在DUT中增加了信號鏈中的多個器件，校準的問題也會更復雜。隨著變量的增加，校準和自動測試誤差呈指數(shù)級增加。
因此，未來5G NR ATE系統(tǒng)和現(xiàn)場電信測試設備需要具有在寬頻率范圍和不同測試條件下可靠、可重復、相關聯(lián)（考慮到前面所述的誤差）測試的能力。它也需要一種自動校準技術，不依靠手動校準依據(jù)標準創(chuàng)建參考平面。圖4表示一個簡化/概念性的自動校準5G NR RF ATE測量系統(tǒng)的框圖，可用于任何DIB/DUT，無論是單端口還是多端口，是否有外圍器件。
為了保證RF ATE系統(tǒng)準確、可靠性、可重復的測試，測試工程師必須填補昂貴的測量儀器的面板上的高質(zhì)量連接器和DIB/DUT的接口之間的空白。DUT的電氣接口（探針卡或封裝適配接口卡）通常集成在DIB內(nèi)部，卻很少與相同類型的高質(zhì)量連接器匹配。源端（到DUT)和接收端/測量設備（來自DUT)之間大量的線纜/連接器以及DIB會引入大量的隨機誤差和系統(tǒng)誤差。
為了補償這些誤差，簡化的RF ATE測試配置（圖4）允許DUT端口的自動校準和測量，無需手動校準技術為每個獨立的DIB/DUT創(chuàng)建參考平面。圖4簡單地通過直接測量測試配置誤差并在最終的DUT測量值中糾正這些誤差（原始測試測量值 - 校準誤差測量值 = 最終DUT測量值）使校準/測試測量的流程實現(xiàn)自動化。具體實現(xiàn)方法是，首先，內(nèi)部交叉點開關(CPS)會自動切換到“校準誤差測量”模式，從而允許ADC測量RF吞吐量，這包含以下的誤差：
• 直接RF天線/源噪聲和失真
• DUT的輸入回波損耗/衰減器誤差
• 電源誤差
• 接地誤差
• 輔助源/驅(qū)動問題（如上述的控制端口的例子）
• 連接器和線纜誤差/變化
這個測量結果被存儲為校準誤差測量值。隨后CPS自動切換至“原始測試測量”模式，ADC對DUT(連接所需的外圍器件）進行同樣的測量，數(shù)據(jù)被存儲為原始測試測量值。這兩個測量值經(jīng)過軟件的處理，得出自動校準/修正的最終測試測量結果。內(nèi)部的CPS允許RF ATE工程師通過一系列的測試自動重配置DIB/DUT，無需手動干預和重校準。 類似地，如果DIB/DUT包含多個器件，可通過四通道ADC和四輸入交叉點開關(CPS)實現(xiàn)多個端口的測量和自動校準/修正，隨后將詳細介紹這一點。
5G NR ATE DUT自動校準和測試測量
圖5和圖6描述了使用Teledyne e2v的四通道、多輸入端口并集成了非并行片上高頻交叉點開關（CPS)的ADC的5G NR ATE自動校準和測試測量系統(tǒng)的自動化解決方案。 Teledyne e2v的EV12AQ605和EV10AQ190（12位和10位四通道集成交叉點開關的ADC）使得5G NR ATE和現(xiàn)場測試設備可針對單個通道（圖5, 6和7）和多端口5G NR設備（如下一節(jié)所示）進行自動校準測量測試。
CPS有四種不同的模式（可通過SPI控制自動使能）：
•1通道模式IN0輸入：四通道ADC交織成最高采樣率6.4 Gsps(4 x1.6 Gsps)
• 1通道模式IN3輸入：同上
• 2通道模式IN0輸入連接到ADC A和B,IN3連接到ADC C和D，每通道最高采樣率3.2 Gsps(2 x 1.6 Gsps)
• 4通道模式IN0-IN3輸入分別連接到ADC A, B, C, D，每通道最高采樣率1.6 Gsps
另外，EV12AQ605的擴展輸入帶寬超過6 GHz(EFPBW)，允許C波段(4-8 GHz)的信號直接采樣，無需通過下變頻器將信號變換到基帶（直接RF采樣）。
圖5是自動校準測量的簡化框圖。CPS設置成1通道（IN0輸入）模式，ADC(A, B, C, D)測量DIB/DUT的RF吞吐端口，而斷開DIB/DUT的RF輸出端（也由CPS實現(xiàn)）。這種“校準誤差測量”采樣DIB/DUT（輸入）的聯(lián)合誤差：
• 直接RF天線/源噪聲和失真
• 到DUT的輸入回波損耗/衰減器/濾波器誤差
• 電源和接地的誤差
• 來自DUT的輸入/回波損耗/接觸誤差
• DUT所需的DIB包含的輔助源/驅(qū)動/器件問題
• 連接器和線纜誤差/變化等
這些ADC的測量結果被存儲為“校準誤差測量值”。
圖6是原始測試測量的簡化框圖。在獲得校準誤差測量值之后，CPS切換到1通道（IN3輸入）模式，ADC(A, B, C, D)測 量DIB/DUT的RF輸出端口，而斷開DIB/DUT的RF吞吐端口（由CPS實現(xiàn)）。這種“原始測試測量”采樣DIB/DUT(輸入)/DUT(輸出)的聯(lián)合性能和誤差，如：
• 前面的校準誤差測量中提到的誤差
• 加上DUT RF輸出性能
ADC的測量結果被存儲為“原始測試測量值”。最終的DUT測量值由下式計算出：原始測試測量值 - 校準誤差測量值 = 最終DUT測量值。
圖7是同時進行校準誤差測量和原始測試測量的簡化框圖。CPS被設置成2通道模式（IN0輸出連接到A和B, IN3輸出連接到C和 D)。2通道模式的ADC(A, B)測量DIB/DUT的RF吞吐端口，而DIB/DUT的RF輸出也被ADC(C, D)測量。利用最大3.2 Gsps的采樣率，可以同時測量“校準誤差測量值”和“原始測試測量值”。同樣的，最終的DUT測量值可由下式計算出：原始測試測量值 - 校準誤差測量值 = 最終DUT測量值。
已安裝的電信設備的自動校準5G NR ATE系統(tǒng)/現(xiàn)場測試
圖8是同時測量多端口DIB/DUT輸入/輸出以完成自動校準測量和原始測試測量流程的簡化框圖。CPS被設置成4通道模式，每個獨立采樣的ADC通道最大支持1.6 Gsps的采樣率。多端口DIB/DUT也可代表已安裝的電信系統(tǒng)的測試/測量點。在4通道模式下，ADC(A, B, C, D)同時測量DIB/DUT或現(xiàn)場測試系統(tǒng)的RF吞吐端口、端口1、端口2和RF輸出端口。這種配置可同時測量每個端口，數(shù)據(jù)可被用作“校準誤差測量值”和/或“原始測試測量值”。最終的測試測量值可通過從原始測試測量值中減去端口校準誤差得出。
此外，EV12AQ605包含一個“多ADC鏈式同步功能”，可為這種多端口測試測量帶來更大的設計靈活性。4個ADC核心的鏈式同步功能（時鐘樹和數(shù)字復位）可自動調(diào)整多個ADC的采樣時序/相位并重對齊，支持實時測量修正。ADC的鏈式同步功能使這一4通道系統(tǒng)可被擴展為8, 12, 16或更多通道的系統(tǒng)。
獨特的帶CPS的四通道ADC(EV12AQ605和EV10AQ190) 為5G NR ATE系統(tǒng)和電信設備的現(xiàn)場測試加入自動校準測 試和測量的功能
EV12AQ605是一款四通道12位1.6 Gsps的ADC。內(nèi)置的交叉點開關(CPS)可切換多個工作模式，從而交織4個獨立的核心實現(xiàn)更高的采樣率。在4通道工作模式下，4個核心可以1.6 Gsps的采樣率同相位采樣4個獨立的輸入。在2通道工作模式下，核心可兩兩交織，實現(xiàn)每個輸入端3.2 Gsps的采樣率。在1通道模式下，單個輸入連接到交織的4個核心，實現(xiàn)6.4 Gsps的采樣率。這種高度的靈活性使用戶可在3.2 GHz的瞬時帶寬內(nèi)實現(xiàn)RF（和IF） 的數(shù)字化。EV12AQ605的擴展輸入帶寬超過6 GHz(EFPBW)， 允許C波段(4-8 GHz)的信號直接采樣，無需使用下變頻器將信號轉(zhuǎn)換到基帶。這款ADC包含多個ADC鏈式同步的功能，可用于多通道系統(tǒng)的設計。它的封裝是使用HiTCE玻璃陶瓷材料的非密封型倒裝封裝，可優(yōu)化RF性能，支持較高的管腳密度。
與本文介紹的主題相關的一個重要的性能指標是通道間隔離度或串擾。大的串擾會給ADC增加額外的誤差并影響結果。可以通過與其他噪聲源類似的自動校準的流程修正這種誤差。圖10表 明，EV12AQ605擁有世界領先的串擾性能，其引入的額外噪聲影響不大。
EV10AQ190是類似的早期的10 bit的ADC版本，也集成了交叉點開關。兩者的性能概述請參考下表：
結論
隨著5G NR網(wǎng)絡在世界范圍的普及，高頻器件的自動/校準高速測量是一個關鍵的問題。校準、可重復性和測量值的相互關聯(lián)是5G NR ATE和現(xiàn)場測試系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。這些問題和總體測試速度以及吞吐量直接關聯(lián)，影響解決方案的效率和性能。Teledyne e2v的四通道多輸入端口ADC使用非并行的片上高頻交叉點開關輸入電路技術，在5G NR ATE和/或現(xiàn)場測試環(huán)境中為器件（單個或多端口）的測試提供自動校準和測量的解決方案。
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