首款5G手机热销的背后：需要攻破这些5G关键难关

2019年08月16日

7月26日，华为正式发布了旗下首款量产上市的5G智能手机——Mate20 X 5G版，定价为6199元，并于当天开售接受预约。而截至8月15日中午12点，华为Mate 20 X 5G版的预约量已突破100万台。

今天（8月16日）上午10点，华为首款5G手机Mate 20 X 5G版正式开售。其中天猫作为Mate 20 X 5G版发售的第一阵地，仅一秒就售罄了，足见Mate 20 X 5G的受欢迎程度。

特别值得一提的是，Mate 20X 5G版是世界唯一商用搭载双7nm 5G终端芯片模组、唯一商用支持SA/ NSA 5G双模、首个中国5G进网许可证、首个泰尔5G通信能力五星证书、首个GCF 5G能力认证证书的手机。

华为终端手机产品线总裁何刚强调，5G时代华为拥有领先的端到端5G研发与产品能力，包括5G算法、5G终端芯片、5G手机、5G CPE、5G无线设备、5G传输设备、5G核心网和5G云服务与内容等。而华为在拥有这些5G能力的背后则需要解决非常多的技术挑战。

为进一步提高频谱效率、克服传播损耗等问题，5G大规模天线基站普遍采用波束成形技术。基站要通过波束扫描找到手机，然后手机和基站之间通过业务波束信号建立业务交互。这是一个很吸引人的设计，当然实现起来也是非常复杂的。波束使用同频还是异频，波束参数，信号质量、端到端性能，OTA射频性能等看起来简单几个问题，其实从系统设计与仿真阶段就要考虑进来，一个成功的系统设计能够显著降低产品生命周期各阶段的风险。

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新频段、更高带宽和新波束成形技术为5G设计和测试带来了严峻挑战！

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无线测试大规模MIMO和波束成形

在大规模的MIMO系统中，基站天线的数量远超用户终端的数量。因此，5G标准纳入了多用户MIMO(MU-MIMO) 技术，其中基站向有源天线系统馈送预编码信号，然后在空间上将多路同步数据流发送给多个用户，用户端的每个接收器均可选择其所需的数据流。为了实现该空间多路复用，gNB需要将辐射能量通过波束成形技术集中至各个接收器。基于波束成形技术，工程师可以实现MU-MIMO，以提高gNB容量并减少发射过程中的能量消耗。

图：通过波束成形实现空间复用

随着5G商业化的逐步实现，由于管理和测试数十甚至数百个连接会增加复杂性和成本，占用较大的物理空间以及引入更高的插入损耗，许多波束成形系统可能会放弃使用天线连接器。目前的趋势是使用片上天线(AoC)和封装天线(AiP)设备来实现毫米波频率下的波束成形，但这种设备没有可用的RF测试端口，迫使业界亟需寻找可以使用OTA辐射测试方法来进行设备特性分析的测试系统。

通过OTA进行准确的特性分析

在许多情况下，使用50Ω仪器进行测试时，PA输出的行为会与PA连接到天线阵列时的行为有所不同。这会使等效全向辐射功率(EIRP)和总辐射功率(TRP)测量值产生误差。在接收器端，当接收到的信号通过带通滤波器时，接收器路径评估并不会对天线阻抗过度敏感。但是5G AoC和AiP设备的天线会与无线电紧密耦合，导致无线电噪声可能会改变天线温度，从而影响有效全向同性灵敏度(EIS)和总接收灵敏度(TIS)。当天线的噪声与无线电的噪声耦合时，OTA测量可以更准确地测量芯片组的实际RF性能。

远场测量挑战

随着转向使用OTA测试方法，工程师所面临的挑战是建立动态OTA测试系统来准确测试RF性能。因此，工程师将DUT放置在电波暗室内受控的RF环境中，与测量系统呈一定距离和角度，进行OTA特性分析和验证测试。

图：天线测量区域

为避免使用大型RF暗室，许多研究人员正在研究近场测试，但是采样天线的安装位置如果过于靠近DUT，会引起诸多问题。如果要正确分析半导体特性，需要做到以下几点：避免将DUT能量耦合至辐射近场的测量系统；不仅要准确采集幅度数据，也要准确采集相位数据，以便正确进行近远场测量数据转换；评估EVM、ACLR或SEM，因为近远场变换最适合载波传播测量，但结果不如高带宽调制信号可靠。

对于波长仅为几毫米的毫米波设备，合理设计的RF暗室并不需要像sub-6 GHz设备的测试装置那么大型。5G毫米波OTA RF 机箱可以是1m甚至更短，以满足远场测试条件。这里的主要挑战包括，采样天线的位置；DUT定位器的机械结构应至少具有两个可维持参考极化方向的自由轴；机箱的屏蔽性能；能够进行热循环测试，不会因环境问题对暗室造成损害；正确分析静区的性能，静区是一个矩形体，其中墙壁、地板和天花板所反射的电磁波应低于规定的最小值。

图：5G OTA测试系统

由于阵列大小随波长而发生变化，在毫米波频率下将所有电子器件安装在阵列中变得越来越困难。也就是说，当元件数量相同时，20 GHz用的阵列的大小是40 GHz用的阵列大小的两倍。另外，两个频率下的天线阵列的辐射功率可能相同，但是40 GHz设备消耗的直流功率是20 GHz设备的四倍。这使得工程师必须设计、充分分析并测试设备，以进行适当的热管理和降额处理。而且每条传输路径和每个天线元件可以承受的功率电平也有限制。

就接收器路径而言，难点在于设计低噪音系统并分析天线增益对于接收器噪声、温度或G/T的影响。这增加了接收链路在设计和测试方面的负担。此外，天线与LNA之间的损耗会直接降低接收器灵敏度。

图：每个天线阵列元件的平均接收功率

然而暗室内的材料，例如RF吸收泡沫和机械定位器部件，可能会由于频繁的温度和湿度波动而受到损坏。OTA特性分析的一部分难点在于进行有效的热测试，以最小化热质量并避免损坏暗室或干扰RF测量。

空间扫描测试挑战

3GPP标准规定的OTA测试程序可帮助工程师根据波束中心、波束宽度、EIRP、TRP和灵敏度确定新的波束成形性能。

图：OTA TX和RX测试程序

OTA校准程序

首先是使用增益已知的馈送天线和基准天线来校准测量值。校准过程需要测量整个发射和接收路径的复合损耗。这包括所有天线和放大器增益，以及信号通过空中接口、电缆、开关和组合器等的损耗。工程师针对每个测量路径和每个极化重复校准测量。

3D天线方向图

系统校准后，工程师将调制的5G测试信号馈送到DUT，并使用如下图所示的网格分别对每个正交极化执行空间扫描。之后测量系统返回DUT的3D天线方向图和发射波束峰值方向。然后工程师驱动DUT，使其在后续测试期间保持锁定在该特定方向。

辐射功率和调制测试

工程师不仅需要通过测量特定方向的EIRP来分析设备的特性，而且其测试解决方案还必须整合每个极化的网格上每个点处测量得到的功率，以便计算TRP。除获得这些结果所面临的技术挑战外，EVM、ACLR和频谱发射等传统测量现在也与空间密切相关。测试区域(静区)中的反射信号必须进行衰减，直至测量不确定性(MU)维持在预设值以下。例如，3GPP关于测试方法5的研究指出，为了测量EVM，工程师必须：使用预定义的网格，通过3D EIRP扫描找到TX波束峰值方向；在测试期间将波束锁定在该方向上；测量EVM以获得调制信号的Φ和θ极化。

图：OTA空间扫描网格

接收器测试

在测试完整的5G无线电时，测量系统通过下行信号来与DUT建立连接。测试系统必须确定每个极化的功率电平(吞吐量超过指定参考测量信道的要求时的θ和ϕ值)。然后系统返回接收波束峰值方向，此方向的EIS最小。基于这一接收波束峰值方向，可分析接收器的动态范围及其在θ和ϕ极化下抑制通道内分块信号的能力。这便提出了一个挑战：同步生成5G信号来连接DUT和宽带干扰源。

细空间网格和测试时间挑战

当工程师使用3GPP指定的网格进行OTA分析和验证测试时，他们可能会发现其测量精度需要提高。这是因为波束峰值方向可能无法与空间中的采样点完全对齐，从而产生测量误差。

图：粗采样网格引起的波束峰值测量误差

毫米波测量 - 不确定性挑战

采用OTA测试解决方案的工程师应综合考虑这些因素，才能为所有测量结果计算误差范围。这些不确定性来源可分为系统误差、校准测量误差、DUT测量误差三大类。而减小OTA测量不确定性的更深一层解决方案是，将不确定性来源分离到系统子组件中：测量设备、暗室、定位器、测量和基准天线。

测量设备挑战

在校准毫米波设备OTA测试系统的总路径损耗时，工程师必须准确地测定宽带RF功率。在毫米波频率下校准功率测量值首先需要使用多个二极管传感器来覆盖所需的频率范围，但这项技术正在转向基于热电偶技术的宽带功率传感器。工程师可以校准从24 GHz到52 GHz的5G毫米波频段的宽带功率。此外，使用单一连接可减少使用多个传感器可能产生的误差。

当使用矢量信号发生器和分析仪切换到连续波和调制波形测量时，由于仪器的插入损耗、输出和输入阻抗匹配以及平坦度和幅值精度规范，工程师必须考虑信号路径上的总体不确定性。此外还需要考虑在低信噪比测试场景中，噪声作为系统误差源产生的影响。

射频暗室测量挑战

频率和空间上的功率和相位变化是由测量天线处直接波和反射波矢量迭加引起的。

工程师在创建静区并测量其性能时，面临的一个巨大的挑战是将基准天线放置在各个参考点和方向的情况下进行测量。由于存在离轴指向，因此他们通常需要校正测量距离和天线方向性方面的差异。

图：分析NR毫米波静区的性能

定位测量挑战

通常由于定位器的机械间隙或不确定性，或者夹具松动导致DUT安装不一致，也会出现角度偏差的情况。严谨的DUT定位器设计还可以避免由于相位中心偏离旋转轴而引起的误差。

图：DUT相位中心偏离旋转轴

验证基准天线和测量天线是否对齐也很重要，这可以避免降低基准天线对测量天线的增益，特别是因为系统校准需要使用最大天线增益来计算路径损耗。

图：天线指向不一致

天线测量挑战

暗室内的天线对与其自身极化进行交叉极化的入射场分量具有有限的隔离作用。即垂直极化天线接受来自水平极化信号的部分功率，反之亦然。这会影响测量结果，具体取决于交叉极化隔离度。在最坏情况下，天线会发生明显的交叉极化泄漏，垂直和水平方向上均出现入射波形，并且泄漏分量完全同相。

图：交叉极化鉴别率

工程师还必须处理来自基准天线馈源电缆的另一个误差源，该来源仅出现在校准阶段，并且在测试DUT时可能会消失或改变。布线、弯曲和旋转接头也会影响测量结果。

程序测量挑战

如上所述，校准阶段和DUT测量阶段之间的插入损耗变化也会引入了不确定性。也就是说，校准天线可能可以更好地匹配50 Ω仪器，并且布线也不同于DUT。此外，工程师可能不知道某些DUT中天线阵列的确切位置，也会引入不确定性，因为测试夹具上的天线位置与预期不同。

图：“黑盒”测量的距离不确定性

对于需要进行RF-RF或IF-RF OTA性能分析或AiP器件或天线模块设计验证的毫米波半导体工程师而言，NI毫米波OTA参考设计使其能够准确测量DUT在所有传输方向上的完整辐射场。

通过硬件定时的运动控制，加快测试速度

NI OTA参考解决方案实现了基于硬件的实时运动控制系统，可以更加快速地驱动DUT定位器，更加迅速地扫描空间网格，同时触发5G RF快速测量。这样可缩短测试时间，提高可重复性，并减少测量仪器和运动组件之间的非确定性关系。

NI毫米波OTA参考解决方案将实时运动控制与毫米波VST的宽带功能、高隔离度电波暗室、DUT 定位器以及RF透明热机箱(如果需要)集成在一起，可用于分析DUT的温度特性。

图： NI毫米波OTA参考解决方案简图

快速执行后，测试定序器会为工程师提供测量结果，如EIRP、TRP、EVM、半功率带宽等。此外，工程师还可以利用各种可视化工具，例如一维切片分析、一维极坐标图、三维天线方向图、热图和最佳波束索引。

毫米波OTA参考解决方案的图形化用户界面提供了一种方法，能让客户使用许多不同测量参数、扫描参数和连接设置来配置执行。它还可以执行后处理算法，并以易于理解的报告形式显示测量结果。

RF暗室及其静区、校准天线和参考定位器在测试解决方案中都起着至关重要的作用。NI的这些元件均可提供出色的RF性能，快速平稳的运动，以及可靠且可重复的定位精度，而不会影响针对不同类型的DUT的定位灵活性。

过渡至批量5G设备生产

无论是研发阶段还是生产环节，5G新空口设备的宽前端模块、PA和其他RFIC在进行特性分析和验证时始终面临着一些挑战。每当谈及OTA测试解决方案，就不会不提到RF暗室，RF暗室已然成为OTA测试解决方案的必要组件。对于设计分析、验证、合规性和一致性测试，适当的RF暗室可提供安静的RF环境，确保设计满足所有性能和法规要求，并具有足够的裕量和可重复性。然而对于批量生产来说，传统的微波暗室会占用大量的生产空间，并增加资本支出。

为解决上述问题，市场上出现了具有 OTA 功能的 IC 测试插座(带有集成天线的小型RF外壳)，从而将半导体 OTA 测试功能小型化(如下图)。尽管测量天线距离 DUT IC 只有几厘米，但是对于每个天线元件的远场测量来说，这个距离已经足够。不过，小型测试插座存在反射问题，反射会妨碍整个天线阵列的波束成形测量，这种测量的远场距离一般是 10 厘米甚至更远。因此，工程师需要特定的DUT测试模式，使其能够单独访问每个元件，并能够创建可列表的测试序列，以便减少软件与DUT和测试仪器的交互作用，从而提高测试执行速度。

图：用于多站点测试的RFIC OTA测试插座

即使采用小型RF外壳，工程师也面临着OTA链路预算有限而带来的测试挑战。例如，在28 GHz 时，DUT和天线之间仅仅10 cm的距离也会导致自由空间路径损耗超过30 dB(包括发射和接收天线的增益)，而如果使用同等长度的同轴电缆，损耗仅为1 dB左右。对于接收机IP3测量，OTA方法要求测试仪器在发射天线处生成高出30 dB的输出功率，才能在DUT处获得同等水平的接收功率。这对于基于RF暗室的OTA配置来说可能是一个挑战，而对于位于1.5厘米远的OTA插座式解决方案而言，所需的传输功率要低得多。

另一种OTA测试方法是生产测试系统采用更长的RF机箱这里的测试挑战在于识别芯片和封装基板之间的连接是否断开或很弱，同时还要测量封装内天线的质量。

新的测试平台还必须能够应对目前5G设备对测试需求所提出的挑战，例尽管众多制造商仍在继续研究如何充分测试24至52GHz频段内的设备，但研究人员也在探索WLAN IEEE 802.11所定义的57至66GHz频段内的协议共存，以期不断突破频率和互操作性的局限性。

如上文所述，NI用于特性分析和验证任务的模块化测试平台可完全满足生产车间的测试需求，这要归功于其较小的占地面积、较低的成本以及自动化设计。该解决方案结合了数十个双向RF端口，可直接用于5G测试，并与高端台式仪器的宽带性能相匹配，同时每分钟可以测试更多设备。

对于外包半导体组装和测试公司而言，设计5G可扩展性并预测新生半导体技术变得至关重要。将测试技术更快地推向市场的最有效方式是设计一种模块化测试架构，通过内置的灵活性来优化初始测试功能或添加新测试功能，以满足未来需求，避免系统快速被淘汰。

NI将所有这些功能集成到单平台测试解决方案中，不仅可直接用于量产环境，而且还能够以经济高效的方式快速、可靠地进行5G测试，同时最大限度地降低费用和占地面积要求，从而让生产投资回报最大化。虽然专为实验室设计的大型毫米波测试仪器在尺寸和价格上不断增大，但NI将PXI 毫米波VST的强大功能和高性价比直接纳入到适用于量产的ATE中。