5G高頻OTA測試勢在必行　毫米波量測力抗訊號耗損

5G天線系統複雜度/整合度提升

就物理特性而言，訊號的頻率越高波長就越短，而高頻訊號的傳輸耗損會比低頻訊號還要大。此外，隨著5G使用的頻段越來越多，智慧型手機設計者也必須為GPS、Wi-Fi、Bluetooth和支援多種蜂巢式頻段的天線，找到足夠的空間容納之。因此，5G毫米波天線設計，一方面為了克服高頻路徑耗損與設計空間不足的問題，另一方面也利用了高頻天線尺寸小的特性，在設計上多採用AiP(Antenna-in-package)的封裝方式，將天線與射頻(RF)前端元件整合在一起。

對此，安立知軟體技術支援部經理吳錫坤指出，為了讓訊號能傳得更遠，5G毫米波導入了陣列天線與波束成形(Beamforming)技術，也導致天線相位與波束方向的控制、調校變得更複雜。因此，終端裝置設計者在開發初期，多傾向採用晶片業者提供的AiP方案，減少訊號調校的時間，並專注於其他的硬體開發工作。而未來設計者也許會依照不同的需求去開發不同的整合方式，但以現階段來講，確實多數的毫米波裝置開發都是採用AiP方案。

OTA量測勢在必行　高頻量測迎全新挑戰

然而，AiP的設計方式，也使得測試方法必須有所改變。在6GHz以下天線系統中，天線與RF前端元件會採離散式設計，且有各自的接口可分別進行接觸式量測，而5G毫米波由於元件大幅整合，所有射頻元件、天線都整合在同一封裝，沒有接口能進行測試，因此須在OTA環境中才能進行量測。

此外，5G為提升訊號傳輸距離，導入大規模多重輸入輸出(Massive MIMO)與波束成形技術，設計上會採用4×4(或者更多)的天線陣列系統，也讓測試複雜度提升，包括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。也因為天線系統複雜度提升，須透過OTA才能確實測出整個系統的傳輸效能。

是德科技進一步說明，設計工程師須在2D和3D中量測波束碼型，並了解波束寬度、旁瓣位準、零位深度和對稱性，以便實現頂尖設計。不僅如此，還須驗證波束控制和零轉向(Null Steering)功能，以確保正確的波束指向，並在各種條件下維持天線增益。

過去進行6GHz量測時，裝置的RF測試多採用傳統的接觸式方法進行量測。然而，5G毫米波導入Massive MIMO與波束成形，加上待測物大幅整合的情況下，難使用電纜在被測設備和測試設備之間建立物理連接，使得OTA量測勢在必行。

事實上，OTA並非一項全新的量測方法。對此，安立知軟體技術支援部副理張翔琦進一步說明，行動通訊裝置測試可分為RF測試與天線場型測試兩大範疇，而過去2G、3G、4G時代裝置的RF測試皆採用接觸式量測，只有進行天線場型測試時，才會須要採用OTA量測完成TRP、TIS測項，大部分的開發者會交給實驗室進行量測，也有一些規模較大的廠商會自行購買暗室系統(Chamber)與軟體來進行量測。然而，因應上述趨勢，5G毫米波不論是在RF還是天線場型測試，都必須採用OTA測試。這也意謂著，裝置開發者將在RF測試面臨新的量測方法與挑戰。

儀器提升整合度/縮短高頻走線　減少訊號衰減

在低頻的接觸式量測中，有線測試套件具有已知的實體特性，且低頻傳輸耗損不高，經過校驗後，即可提供準確且可重複的結果。然而，進入OTA量測後，須將無線電在空氣中傳輸距離、天線尺寸與傳輸耗損等因素所產生的量測誤差值也納入考量，因此，如何透過OTA量測儀器與方案模擬出近似於5G設備的實際使用環境，以確保設備的可靠性，也是儀器與測試方案的設計要點(圖1)。

國家儀器(NI)亞太區半導體開發經理潘建安也提到，由於傳統的測試儀器(如頻譜分析儀、訊號產生器等)，其功率並非設計給OTA量測使用，因此，測試者採用傳統儀器進行毫米波量測時，會須要外掛其他元件(如功率放大器)，才能達到OTA量測的要求。然而，由於元件是外加的，因此如何進行訊號校準將成為一大難題。

為協助測試者解決此問題，在設計毫米波的儀器方案時，會盡可能將接觸式量測與OTA量測所需要的功能、元件(例如放大器、升降頻器、濾波器)都整合在同一個測試頭(Radiohead)上，減少外掛儀器可能產生的訊號耗損，協助測試者省去校準所需的時間，並藉此提升量測精準度。此外，儀器也會採多埠(Multiport)設計，就不用再外加Switch。

考量到高頻訊號損耗嚴重，量測儀器也必須盡可能減少自身的訊號衰減。對此，是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪指出，早前的量測方案可能會透過升頻器來打出高頻訊號，然而每經過一次轉換，都可能造成訊號損耗，因此若儀器本身能直接支援高頻訊號，將有助於改善此問題。舉例來說，該公司提出110GHz單機式向量訊號分析儀，以及微波訊號產生器，其具單機兩通道到44GHz且能相位同調，可校正量測平面，這樣高整合度的設計目的就是要減少量測路徑損耗。

而縱觀目前各廠商所推出量測解決方案，也可發現不管是單機式的儀器，還是搭載升頻器的量測解決方案，都會盡可能縮短高頻訊號的走線，讓量測平面更接近待測物，以減少路徑耗損，提升量測的精準度。

OTA場型設計考量電磁波特性

天線場型可以分為電抗近場、輻射近場以及輻射遠場，根據不同的訊號頻率、待測物尺寸與測試點距離，可推算出不同的場型範圍與路徑耗損。由於天線的測試點將直接影響量測的穩定性與精準度，因此，透過物理特性與公式找出誤差值最小的最佳測試點，對於OTA量測來說至關重要(圖2)。

對此，羅德史瓦茲(R&S)應用工程部經理陳飛宇進一步說明，電磁波的傳輸有其特性，發射器之距離、待測物尺寸與運行頻率，都會產生不同程度的損耗。一般來說，當測試點距離訊號發射器越遠，訊號就會越來越微弱，量測精準度也會隨之下降。同理，測試點距離訊號發射器越近，接收到的訊號也就越強，精準度也會較高。

然而，須特別注意的是，當測試點距離發射器非常近的時候，訊號間的相互干擾會非常嚴重，導致量測精準度下降，這個範圍也就是所謂的電抗近場。因此，通常會選用天線陣列的近場或遠場區域進行OTA測試。雖然近場量測很適合用於某些特定的應用，但是想要評估5G蜂巢式通訊鏈路，還是須使用遠場量測。

此外，不同的頻率也會有不同的近場與遠場範圍，以是德科技根據不同輻射孔徑所估算出的遠場距離和路徑損耗數據為例，在2GHz頻率下運作的4G LTE 15cm裝置之遠場區域始於0.3公尺，路徑損耗為28dB；而在28GHz頻率下運作的5G NR裝置的遠場區域則始於4.2公尺，路徑損耗為73dB。由此可知，高頻毫米波的訊號量測，可能會面臨遠場測試區域太大，以及路徑耗損的問題，且待測物越大問題就會越嚴重，使得量測工作挑戰加劇。

CATR模擬遠場測試　降低Chamber建置成本

而為排除路徑損耗和過大遠場距離的問題，3GPP也核准了一種基於縮距量測系統(CATR)的間接遠場(IFF)測試方法，透過精密的反射面，將發射源發射的球面波在近距離內轉換成平面波，以模擬出滿足遠場測試要求的準平面波測試區。透過模擬的方式，解決大型Chamber建置不易及成本高昂的問題。

陳飛宇指出，目前模擬平面波的方式主要可分為三種，一是透過光學技術產生，另一種則是採用反射原理(將球面波從焦點發射至光滑的拋物面上，反射出準平面波)，最後一種則是透過物理特性與演算法模擬平面波。而基於待測物尺寸、Chamber尺寸以及成本等考量，目前R&S的基地台OTA量測方案是採用演算法來模擬平面波，而裝置的量測方案則是透過反射原理來實現近似於平面波的電磁波形式。

儘管基地台與通訊裝置的運行頻率相同，但因為待測物尺寸會影響整體OTA效能參數，所以必須為基地台與終端裝置設計不一樣的量測方案。過去低頻量測，兩者間只有微幅的不同；而進入OTA量測，採用的儀器設備大致相同，但測試環境需求卻大有不同。而R&S也因應這樣差異，推出兩款Chamber及相應的測試解決方案，滿足高頻基地台與裝置測試需求(圖3)。

總結上述，在進行OTA測試環境設計時，須根據裝置尺寸、發射器距離以及頻段，找出最合適的量測位置。由於各國選用的5G頻段不盡相同，裝置天線尺寸也不一樣，因此每個案例都會有不同的特性，量測方案須能依據不同的待測物，設計出最適合的環境配置與量測距離。

但陳飛宇表示，由於電磁訊號本身的特性，儘管選了一個最理想的量測點，仍無法完全避免每次量測出來的誤差。而OTA量測解決方案，就是要協助測試者克服這些問題，充分了解誤差範圍，並透過校正降低誤差值，確保量測的穩定性與精準度。

彈性化解決方案降低產線測試成本

綜合上述可知，OTA量測複雜度提升，而儀器與量測成本也將隨之上升。因此，在克服OTA量測挑戰的同時，量測儀器商也推出彈性化的解決方案，以協助用戶降低產線測試成本。

張翔琦說明，5G測試分為訊令測試與非訊令測試，而在產品研發階段訊令與非訊令測試都必須進行，但產線端可能只需要非訊令測試。因此，以該公司所推出的方案為例，其在6GHz以下的產線端測試會延用4G時代的儀器進行非訊令測試。而5G高頻的產線測試，則可透過彈性化的解決方案來降低成本，如透過卡板來支援不同的功能測試，測試者可依據自身的產線測試需求來選擇相應的功能卡板，降低整體測試成本。