在2019年年初的世界通訊大會(MWC)上，華為、一加等眾多5G手機的問世，掀起了一股5G技術潮流。終端應用成為5G早期的驅動力，2019年也被業界稱為5G元年，當然未來5G技術的應用不僅僅是手機，還有可能是汽車、飛機、家電、公共服務設備等眾多設備。5G將會是推動社會進步和經濟發展的重要利器。
中國工業和資訊化部部長苗圩表示，2019年中國將進行5G商業推廣，一些地區將會發放5G臨時牌照，下半年還將用上諸如5G手機、5G iPad等商業產品。政策層面的利多，進一步帶動5G從晶片到終端全產業鏈的發展。5G之所以能帶來廣闊的應用場景，離不開一些關鍵技術的引入，如基於正交分頻多工(OFDM)優化的波形和多址接入、靈活的框架設計、大規模天線(Massive MIMO)、毫米波技術(mmWave)。5G設備日益複雜，必須採用全新的測試方法，來最大限度縮短產品上市時間和減少測試成本。
5G測試面臨巨大挑戰
國際標準組織3GPP定義了5G的三大場景。增強型行動寬頻(eMBB)指3D/超解析度影像等大流量行動寬頻業務，大規模機器類型通訊(mMTC)指大規模物聯網業務，超可靠低延遲(uRLLC)指如無人駕駛、工業自動化等需要低延遲、高可靠連接的業務。其中實現eMBB的主要技術是採用Massive MIMO有源天線陣列或毫米波技術。為了達到實現每使用者10Gbps的目標峰值速率，5G標準增加了更多的無線頻譜，擴展到了釐米和毫米波頻率(圖1)。
圖1 5G NR的三大關鍵技術
從長期來看，5G測試比較大的挑戰是由於毫米波和大規模天線技術引入使得無線設備更加複雜整合化。
5G網路通常在基站端疊加更多MIMO子系統，也就是大規模天線系統。而這樣的大規模天線給開發工程師帶來的測試挑戰是顯而易見的，如前傳介面連接的高輸送量、天線陣列校準、天線單元間的相互耦合、不規則的天線陣列、天線陣列複雜，這些因素都會增加測試的難度和測試成本。
另外，毫米波一直被譽為是提升5G性能的利器，其關鍵優勢之一是可用的大量頻譜頻寬。以往，基於sub 6GHz頻段的4G LTE蜂巢式系統可以使用的最大頻寬是100MHz，資料速率不超過1Gbps(圖2)。而在5G sub-6GHz與毫米波頻段，行動應用可以使用的最大頻寬是400MHz，資料速率高達10Gbps甚至更多。以前毫米波大多都是應用在軍工領域，現在推廣到商用化應用領域，測試設備需要覆蓋毫米波頻段，這對在毫米波段的測試儀表的提出了新的挑戰。
圖2 蜂巢式網路技術傳輸速率演進圖
OTA成為5G重要測試技術
針對5G設備而言，增加的頻率範圍、新的AiP(Antenna-in-package)天線封裝技術和更多的天線數量使測試難度增加，還造成測試設備的成本和運單個設備測試時間的增加。市場上普遍認為OTA(Over-the-air)方法技術可以幫助解決這些問題，且OTA對於5G設備測試至關重要。主要基於以下三點考慮：
1. 被測設備(DUT)的集成度大幅提升，無法使用電纜在被測設備和測試設備之間建立物理連接，傳統測試方法不適用。
2. 毫米波頻率下的訊號傳輸損耗很高，因此需要通過波束聚焦或波束成形來提高增益。
3. OTA的測試環境需要十分接近5G設備的實際使用環境，能夠最大限度保證設備的可靠性。
OTA測試並非總是需要微波暗室
高效的OTA測試是5G部署的關鍵，OTA的實現涉及到眾多環節。對於設計表徵、驗證、合規和一致性測試來說，適當的微波暗室(消聲、CATR或混響類型)可以提供安靜的射頻環境，確保設計滿足所有的性能和法規要求，並具有足夠的裕量和可重複性。然而，對於批量生產來說，傳統的微波暗室會占用大量的生產空間，並增加資本支出。
為解決這些問題，市場上出現了具有OTA功能的IC測試插座，以及帶有整合天線的小型射頻外殼，從而將半導體OTA測試功能小型化。儘管測量天線距離DUT IC只有幾釐米，但是對於每個天線元件的遠場測量來說，這個距離已經足夠。相對較小尺寸的測試插座還有助於多網站並行測試增加測試輸送量，同時最大限度地降低訊號的功率損耗。不過小型測試插座會妨礙整個天線陣列的波束成形測量，這種測量的遠場距離一般是10釐米甚至更遠。
兼具靈活/可擴充特性 5G OTA測試量測事半功倍
如今的開發週期正在不斷縮短，靈活且可擴充的測試系統對於OTA測試來說至關重要。舉例來說，現已有量測廠商，如國家儀器(NI)的軟體客製測試平台與最新的5G NR PHY層要求保持同步，其中包含測試寬NR分量載波或載波聚合訊號所需的測量科技和暫態頻寬。NI的高頻寬儀器還允許通過數位預失真技術對DUT進行線性化。此外，NI平台還為多通道測量系統提供相位相干和時間對齊擴展，以便對最新的NR半導體設備進行全面測試(圖3)。
圖3 NI 5G-NR PA/FEM測試系統
加速5G商用 NI構建5G生態圈
針對5G晶片對於測試速度提出更高的要求，NI PXI平台能提供更加便捷靈活的自動化測試工具，說明客戶構建更加高效的自動化測試系統。尤其是面對晶片量產階段的多種多樣的測試需求，NI模組化的方案比單機式儀表更加靈活更具有市場競爭力。
在5G技術從原型驗證到商業部署的各個階段，皆須環環相扣的串聯起來。從2015年開始，NI即開展「射頻領先用戶計畫」，聯手產業與學界一起探索5G相關的原型化與研究(圖4)。
圖4 NI射頻用戶領先用戶計畫
為保證5G商用的快速落地，NI與產業領導廠商保持密切合作，開發高度模組化、軟體定義的測試策略和解決方案。例如，Qorvo的專用於在3.4GHz頻譜下運行移動設備QM19000 5G FEM，FEM測試採用NI PXI系統進行，該系統可說明客戶儘早地在移動設備中部署5G。Skyworks利用NI的向量訊號收發器(RF VST)來驗證專為5G NR應用開發的Sky5解決方案的性能。借助NI PXI平台，Skyworks成功地驗證了關鍵的性能基準，加速了整個產品的測試週期。此外，NI還與三星合作開發針對28GHz的5G NR互通性設備測試。