Advancing ATE Strategy For mmWave Mass Market Production

Mark Roos, Roos Instruments, Santa Clara, Calif.

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自动化测试和测量（ATE）领域正在迅速变化和发展，超越了传统台式和大多数现有ATE系统的能力。现代蜂窝结构（5G）、物联网（IoT）设备和最新的功能密集的片上系统/系统级封装（SoC/SiP）所需的性能、测试速度和频率千差万别，因此有必要采用不同的方法。这就要充分利用模块化配置，它占地面积小、资本支出低、校准精确、器件连接损耗低、测量精度高。模块化结构可以提供能适应未来的功能，使ATE系统能在较少升级的情况下提供更快的速度和更高的准确度。然而，并不是所有模块化ATE系统都相同。在毫米波频率下，测试系统的配置需要深入了解ATE系统之间的不同功能以及它们通常替换的台式仪器。

在过去几年中，毫米波设备的自动化测试受到越来越复杂的标准、方法和需求的制约。随着第五代蜂窝移动（5G）、物联网（IoT）和片上系统（SoC）技术的不断进步，这一趋势可能会加剧。目前的毫米波自动化测试依赖专用测试（台式）仪器或用户针对某类型器件、标准或规范集定制设计/开发的ATE。

这是一个技术快速发展、标准不断变化、主流应用使用微波高频段和毫米波频段的时代（图1）。通用台式仪器或定制/专用ATE系统不太可能满足新的需求。因此，选择生产测试设备的工程团队必须注意当前和未来的需求。不能因为复杂配置和优化的需求，冒险购买可能很快过时或价值递减的属于固定资产的设备。目前，需要模块化测试系统能够很好地覆盖毫米波频段，支持多域同步测试，具有基于软件的可配置性，并且能够适应现代蜂窝、Wi-Fi、物联网和其他新兴技术的标准变化。

趋势与挑战

导致毫米波产品测试需求增长的新兴设备趋势是：大量设备以更高的频率（接近100 GHz）工作，带宽达到几百MHz到GHz，更复杂和可配置的射频设备具有多个射频集成电路，以及需要同时和同步混合域（功率、射频、模拟和数字）测量和信号生成的测试场景。最初的5G用户设备（UE）和客户前端设备能够在所有4G频段、新的5G sub-6GHz频段（FR1）和新的5G 毫米波频段（FR2）中工作，在美国，这些频段还包括50GHz以上的频率（见表1）。这些设备通常由高度集成和紧密组装的数字、射频、模拟和电源设备组成，其设计和操作取决于未来几年标准的变化。

5G以及毫米波Wi-Fi（802.11ad）驱动测试复杂度和其他功能的提升，如多输入多输出（MIMO）、波束赋形和载波聚合（CA）导致天线系统能够产生几乎无限数量的测试用例和频带组合（3GPP R15版包含了600多个载波聚合组合）²。这对研发表征、质量和验证测试提出了挑战，因为在一个面对激烈竞争而不断压低利润的行业中，没有太大的空间进行长时间和复杂的测试。为了防止早期5G产品和服务受到负面影响，电信业和UE制造商还必须意识到市场对设备故障的低容忍，这突显了需要进行严格的测试和表征。

Wi-Fi（802.11ad、802.11ax）和5G挑战

最新的高吞吐量和高度复杂的SoC/SiP采用了各种类型的内置自测试和测试序列自动化，以帮助芯片级测试和制造验证。在某些情况下，这些测试速度很快，有些测试在数百微秒内完成。为了使射频测试设备跟上步伐，设备的配置时间必须与这些窗口相匹配或超过这些窗口。多域测试，以及直接电路测试和空口测试（OTA）必须与同步测试设备同时进行。例如，具有Wi-Fi、蓝牙、3G/4G/5G FR1蜂窝式和近场通信模块的蜂窝式手机可能需要OTA和直流探针来测试系统间干扰，这是由新的CA技术（其可以同时使用多个蜂窝频带）组合而成的。

宽动态范围和频率范围的OTA测试对于描述和验证MIMO/波束赋形天线系统也是必不可少的。在必须检查每个天线单元的情况下，需要高动态范围来确定每个单元的性能，特别是当某些单元可能表现出比其有缺陷的相邻单元更高的信号功率水平时。如果不直接测试每个天线单元，就不可能发现有缺陷的单元。对于即将到来的64×64 MIMO 5G基站天线系统，由于所需时间、成本和设置复杂性，该测试可能并不可行。为了测试大量的系统，测试的可重复性和优化对于5G UE和基站既经济又可靠地运行至关重要。

产品测试新时代

此前，毫米波领域一直由政府和军方主导，用于雷达和卫星通信，并提供少量商业回传产品。毫米波产品历来成本高、体积小，可以使用传统的台式设备进行手动测试（图2a）。高容量和低成本的消费市场传统上保持在6 GHz以下。ATE系统在低于6 GHz的范围内发展，以满足消费者产品快速、低成本的测试需求。现在，毫米波正进入批量生产阶段，快速低成本测试的需求不断增长，并且这些测试需要达到之前无法实现的高精度。

产线ATE系统通常也提供对测试设备射频组件的更精细控制，这之前只有一些台式设备提供这种控制并且通常需要定制化的配置。由于毫米波测试的严格要求，需要引入新的方案，主流测试和测量设备制造商主要集中在大尺寸一体化台式仪器或高度集成和有限的现场便携式测试仪器上，经常忽略或不能发现新的方案。

因此，越来越多的测试设备制造商开始制造模块化的测试设备平台，这些平台的组件可以通过多种方式配置，以满足独特的测试需求（图2b）。这些测试侧重于6 GHz以下的技术，以满足有低成本和可配置要求的研发、专业化和生产测试场景。通用模块化测试仪器通常需要定制配置和编程来构建可行的平台，并且通常不能提供与传统台式仪器相同的性能和可靠性水平。

毫米波模块化ATE特性

射频测试经常遇到与频率相关的现象，其中一些成为毫米波频率下设计测试系统的主要挑战。没有考虑到这些因素的测试系统可能不太准确，甚至可能在高于几GHz时产生误导性或不一致的结果。其中一些现象驱动着机械/电气（物理）测试系统的设计，而另一些则影响着测试系统的架构。

互连、探针、匹配和损耗

在毫米波频率下，金属的导电性随频率的升高而降低，绝缘体的介电损耗增加。此外，毫米波信号较小的波长会与几何结构相互作用，而在较低频率下几乎没有影响。例如，1 GHz时，空气中四分之一波长为75毫米，而80 GHz时，空气中四分之一波长小于1毫米；因此，在较低频率下能正常工作的连接器不能应用到毫米波。

这些现象揭示了毫米波通过传输线的插入损耗更大、连接器中的衰减更大、互连的匹配性更差、传输线之间的连接对失调的容忍度更低。这就是为什么在许多情况下，波导互连对于毫米波应用是必要的，因为与同轴传输形式相比，波导中的损耗和失配要少得多。通过将ATE系统尽可能靠近被测设备（DUT）来尽可能缩短传输线长度也很重要。

对于毫米波频率，最后几厘米的微带/带状传输线通常与集成电路板一起使用。波导虽然在电气方面优越，但也有其自身的机械问题。它是刚性的，连接器物理尺寸较大。例如，通常在60至90 GHz之间使用的UG387/u法兰的直径接近20 mm。某些设备在单个组件上可以有多达24个毫米波端口。在连接面板放置24个波导端口是不可能的。一些制造商正在创建自定义的小型法兰接口，以解决法兰问题。人们开发了薄壁可共形的波导专利技术，以尽量减少布线的挑战，且不牺牲高频性能。图2b给出了一个具有可配置混合信号接口的模块化测试系统。图3是混合信号连接器的特写图。

基于矢量的毫米波精确校准技术

在较高频率下出现的与频率相关的性能退化也会影响测试系统架构和校准。测试精度取决于确保校准平面延伸至DUT平面，即互连和相关寄生的影响是测试环境的一部分^3,4。

在生产中，测试仪器和被测设备之间总是有硬件接口。这可能与电缆或波导一样简单，也可能包括多个有源器件。为了精确测量，硬件必须进行校准。在较低的频率下，通常只根据仪器接口进行校准是可以接受的。然而，在毫米波频率下，如果不校准被测件，很难获得可接受的测试结果。这需要在片或夹具测试标准，通常是开路/短路/负载和矢量测量系统，以有效地从测试环境中去嵌并获得测试结果。

除了单独的仪器校准外，毫米波ATE还必须包含接口层的矢量校准以及将校准层组合成整体校准的能力。一些毫米波ATE系统提供多达三个矢量校准层。仪器、接口和探针卡（或器件接口板）有自己的校准，由系统控制器协调。

模块化仪表

夹具固定是大多数ATE系统的主要设计考虑因素，在毫米波频率下更为关键。在许多情况下，连接测试设备和器件的夹具和探针卡必须为每个器件单独设计。这限制了可重用性并带来可靠性和测试问题，因为需要为每个DUT设计新的探卡。基于毫米波性能设计的模块化设备接口卡和标准化模块化夹具为高灵敏度测量提供了更好的测试系统硬件重用性以及更高的可靠性和重复性（图4）。此外，校准更容易，因为模块化设备接口可以包含在校准过程中，而无需额外的自定义校准。因此，可以对夹具和探针卡执行额外的矢量误差校准，使得系统范围的矢量误差校准能够向下到器件范围。

毫米波频率下的其他重要考虑因素包括控制能力、软件支持和测试系统优化功能。对于由台式仪器制成的机架和堆栈系统，用户可使用的灵活性和可编程性可能非常有限，即使是相对较小的变化，也可能需要与ATE制造商进行交涉。在其他情况下，完全通用的硬件和软件配置会让用户从头开始编写ATE系统测试例程。一种更现代化和用户友好的方法是提供功能广泛的图形用户界面，允许用户灵活控制，同时尽可能减少设计复杂性和用户错误的可能性。对于这些系统来说，允许自定义编程实现附加功能和自定义以满足最新标准和一致性测试也是有益的。

结论

毫米波测试正从实验室走向主流生产线。测试行业现在面临着生产环境以及高度敏感和严格的毫米波测试需求带来的挑战。模块化ATE可能是唯一能够经济地提供生产级毫米波和混合域测试的系统解决方案。随着频率的上升，5G将是ATE的最大市场之一。它迫使ATE行业在实现5G的进程中迎接测试挑战；ATE行业大部分公司将第一次涉猎高于26 GHz的频段。