与5G毫米波完美配合的大规模芯片级天线阵列技术：测试如何做？

5G技术定义了三大典型的应用场景，即增强的移动宽带（EMBB：Enhanced Mobile Broadband）、海量机器类型通信 (mMTC: massive Machine Type Communications) 和超高可靠低延迟通信 (URLLC: Ultra-Reliable & Low Latency Communications)。5G采用大规模天线阵列（Massive MIMO）技术增加了小区容量。

众所周知，MIMO和波束赋形的技术都离不开天线阵列。如今，天线阵列的阵子达到了上百甚至上千个。天线阵子数量的增加提高了通信系统复杂性，这对天线阵性能评估提出了新的要求，面临的主要挑战之一是随着频率的提高，设备的射频前端和天线阵子高度集成化，由于待测件可能不存在测试射频接口，以往能够通过传导法进行的测试项目（如发射机和接收机项目），现在则需要通过空口（OTA: Over-the-air）方式进行。此外，天线在研发和封测的环节中，也需要对芯片级或PCB级的天线进行空口测试。这种类型的天线往往叫做在片天线。

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在片天线

下图为在片天线示意图。此类天线的衬底一般为半导体材料或介电材料。天线部分由特殊工艺做在衬底之上，接地板可以是与天线共面的形式，也可以是非共面的形式。信号由馈电口进入天线。

在片天线的馈电口与接地板的间距较小，无法容纳常规的射频接口，因此引入探针台将射频信号馈入天线，从而实现“在片天线测试”，测试环境链接框图如下图所示。

测试系统的硬件部分主要由矢量网络分析仪，微波暗室以及探针台构成。

首先，矢量网络分析仪器是一种电磁波能量的测试设备，俗称“射频微波领域的万用表”，能够对单端口或多端口网络进行幅值与相位等参数的测量，是天线与OTA测量系统中最常见的仪表之一。

其次，微波暗室是由吸波材料和金属屏蔽体组建的封闭空间，形成一个屏蔽外界电磁干扰的电磁环境。在暗室内做天线、雷达等无线通讯产品和电子产品测试可以免受杂波干扰，提高被测设备的测试精度和效率。

第三，探针台广泛应用于半导体与集成电路行业中的复杂、高速器件的精密电气测量的研发与封装测试。

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在片天线的测试挑战

随着毫米波阵列天线的大规模应用，在片天线测试作为天线设计与封装测试中的一个环节，起着十分重要的作用。然而，在片天线测试属于天线测试测量领域较为小众的领域，目前市场能够提供的系统方案还不够成熟，无法对在片天线进行准确，高效的性能评估，主要的问题和测试挑战如下。

第一，在片测试时，由于芯片或PCB天线放置于探针台上，天线与吸盘的金属部分会产生电磁耦合，其程度视天线类型和辐射方向而定，因此天线的方向图测量结果与测量精度将受到耦合影响。下图展示了5G毫米波终端内常见的端射天线[1]，其馈电接口与天线辐射方向不在一个平面上，如果采用普通的探针台进行测量，天线的辐射方向正好位于吸盘的平面上，其测试结果将严重偏离天线的实际性能。因此需要采取创新的方法将探针台的影响去除。

第二，采用传统的探针台进行在片测试，往往只能进行平面扫描，或者有限角度的3D方向图测试[2]。其原因是进行球面扫描采样时，吸盘的金属底座将遮挡天线辐射能量的下半球部分，测试的结果只有上半球的数据是有效的。此外，更为重要的一点是，只进行上半球的测试无法对天线效率进行准确的评估。在CTIA与3GPP关于5G毫米波终端的测量规范当中[3][4]，全向辐射功率（TRP）的测量需要进行球面扫描。TRP对于有源测量来讲是功率的球面积分，对应到于无源天线就是天线效率，因此球面扫描角度的完整性非常重要。

第三，测试效率对于天线测试来讲至关重要，相对短的测试时间意味着系统可以进行更多的测试任务。测试效率与系统内的转台或天线摇臂的转动速度，扫描策略，与数据采集速度等因素有关。不同系统间的测试速度差距非常大。下图是一个典型的多轴天线测量摇臂结合部分探针台组成的在片天线测试环境[2]。图中的天线摇臂至少存在三个扫描维度，包括水平角、俯仰角与极化方向角。即天线摇臂既要完成水平角（Azimuth）维度，也要完成俯仰角(Elevation)维度的扫描，同时，位于天线摇臂上的测量天线为单极化天线，需要进行机械转动以完成待测天线主极化与副极化的测量。为了协调与联动多个扫描维度，多轴的天线摇臂势必会在测量速度上面做一些牺牲。对于毫米波天线来讲，多采用天线阵的形式布局，波束相对比较窄，往往需要采用较小的采样间隔，比如4°，2°甚至1°。采样的步进越小，所花的测量时间成倍增加。此外，测试系统的测量不确定度也会随着系统扫描维度的增加而增加，因此根据5G毫米波设备相关的测试规范[3][4]，双轴（两个扫描维度）的扫描系统是主流的测试环境。

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在片天线测试的解决方案

为了回应上述在片测试中的问题，罗德与施瓦茨（Rohde & Schwarz）提出了相关的解决方案。WTPC无线性能测试暗室系统（如下图）能够帮助研发人员和产线工程师对天线模块、收发器、芯片组和无线设备进行天线与OTA测试。结合相关的测试设备，整个系统可以在600MHz到90 GHz的频率范围内进行测试，可以覆盖目前5G所关注的所有频段。WPTC暗室主要由RF屏蔽材料、吸波材料、高精度转台、天线摇臂以及覆盖整个频率范围的测量天线构成。WPTC暗室采用业界领先的RF屏蔽材料与吸波材料，保证了暗室良好的电磁频闭性能。