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5G元件特性分析与测试的五大最隹策略
加速创新并缩短上市时间

【作者: 是德科技】2020年11月23日 星期一

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元件制造商需拟定有效的策略,来进行特性分析与测试,无论是何种元件(放大器、混频器、变频器等)。要赢得 5G 竞赛,元件制造商需要对整个工作流程怀抱更大的信心。量测完整性是进行研发(R&D)时,获得更深入设计洞察力的关键。元件制造商也需要加速推出产品,并减少测试成本,以维持竞争力。多埠测试设定可显着提高量测速率,其出色效能使得元件制造商能够赶上紧迫的时程表。


透过最隹化实作将多埠测试效益最大化

元件制造商需掌握 5G 复杂度,以因应更紧迫的时间表。5G 带来了重大的多埠挑战。以Massive MIMO 为例,需要大规模的多埠测试来分析天线效能。5G New Radio(5G NR) 频率范围 1(FR1)需要多达 66 埠。进行天线量测时,一个 8x8 MIMO 配置需要 64 埠。制造商通常需要两个校验埠。


现在元件测试需要愈来愈多埠。多埠特性分析已成为元件的新趋势。针对多埠量测进行最隹化的仪器,可对待测装置(DUT)提供全面的支援,并可实现高量测效能和准确度。如此有助於提高量测速率,并有效降低测试成本。


切换式向量网路分析解决方案常被用於多埠测试。不过,许多多埠装置要求在每个埠与另一个埠之间进行量测。简单的切换式测试已无法因应这种需求,因为从向量网路分析仪


(VNA)同一个埠分枝出来的切换器,彼此间没有相连的路径。因此切换式解决方案无法支援多埠装置的所有路径。


元件制造商可以使用全交叉式设定,来取代简易的切换设定。这样的设定可在各个埠之间执行完整的量测。不过,这样就需要在每次测试时进行 N 对 N 校验。同时,固态切换器的设定,很容易受到温度的影响,因而需随时校验,以确保准确的量测。更严苛的校验需求会影响到量测速率。


现代多埠装置更迫切需要更快、更准确量测。随着埠数不断增加,将测试信号导向待测物各个埠的扫描次数也急遽上升。切换器衰减则会影响动态范围,并减低量测效能。


真实的多埠向量网路分析仪(VNA)不需要切换器,因而可减少损耗。针对多埠测试进行最隹化的 VNA,同时支援多埠装置的所有路径。宽广的动态范围则使得它们能快速执行扫描。增加 20 dB 的动态范围,可将量测速度加快 100 倍。如配上同步资料撷取来同时量测多埠,可进一步加快测试程序。图一显示多种元件不断增加的埠数和复杂度。



图一 : 待测物与复杂度和埠密度的关系。
图一 : 待测物与复杂度和埠密度的关系。

善用不同平台以缩减测试面积

仪器有许多不同的外观尺寸:桌上型、模组化和通用串列汇流排(USB)。每一种外观尺寸都有其优点,并适用於研发、设计验证和制造等元件工作流程的各个不同阶段。元件制造商需要修改测试策略,以便在工作流程中善用各个外观尺寸的优点。


元件制造应用较重视灵活性。模组化仪器可将多台仪器(信号产生器、信号分析仪、网路分析仪)结合在一台机箱中,以显着减少仪器占用的面积,并提供更强大的测试系统。配置灵活性让元件制商能依应用需求调整测试系统。此外,他们也能随应用需求改变而扩展配置。


模组化仪器还可节省空间。更小的测试面积代表更低的测试成本,因为协力制造商通常被要求以平方英尺收费。藉由使用 PXI,元件制造商可合并多个模组,以开发更强大的测试系统,仅占用比箱型仪器小很多的楼板面积。



图二 :   使用PXI VNA的多站配置范例
图二 : 使用PXI VNA的多站配置范例

透过多站测试,让量测速率倍增并建立多使用者测试站

在 5G 竞赛中,时间就是一切。执行多埠测试时,元件制造商可部署多站配置,将量测速率倍增。多站测试需在同一机箱中纳入多台 VNA,以同时测试多个装置。对於具高隔离度的多埠装置,例如不需在高、低频段间进行隔离测试的 FEM,这些量测技巧能够将量测速率最大化。多站测试支援同步扫描,可缩减测试时间并提高量测速率。


平行测试可提高量测速率,降低测试成本。这对於元件与装置制造商极具吸引力,受惠的产品包括被动元件、行动手持装置的表面声波装置,以及元件制造阶段所需的通用元件, 如天线、滤波器和缆线。过去,制造商需在机架中堆叠大量的传统仪器,以进行多站测试。模组化仪器可在更小的面积中,实现更高量测速率和更隹的灵活性。它可同时量测待测物的多路径,并允许元件制造商同时测试类似或不同的装置。


模组化仪器虽然具备许多优点,元件制造商需注意潜在的 CPU 问题。当测试站中 VNA 的数量增加时,控制器需进行更多运算工作。这最终会影响到处理器效能。同样的,在单一 PXI 机箱中纳入多个 VNA,其中频频宽(IFBW)设定对量测速度和效率影响甚钜。为了获致低IFBW(如1kHz),元件制造商可在每台 VNA 中安装一个以上的核心处理器。


多站功能有助於建立多使用者测试解决方案。这项功能对元件制造商极具吸引力,因为它可支援滤波器调谐等应用,进而压低制造成本。元件制造商可将嵌入式控制器的输出导到显示器,或是使用外部控制器。他们只需将电脑作业系统配置为多显示幕,并确保电脑能侦测不同的测试站。同时,他们要尽可能缩减操作者的控制时间,以避免出现错误。他们可用图形巨集(graphical macro)来达成此目标。


以更低的成本实现快速完整的制造测试

在 5G 竞赛中,元件制造商需要快速又全面地测试各项产品。与此同时,他们须降低 5G 的测试成本,才能在商业上获致成功,并推动最高的成长和获利。


然而,消费者要求降价的压力,在整个行动价值链中扩展开来,最後连晶片供应商和元件制造商都感受到了压力。他们选择使用的仪器,关??他们能否因应 5G 带来的复杂度及装置整合要求。在元件工作流程的制造环节中,这点尤其重要。选择合适的仪器,可协助他们实现更高的良率、可靠度,并且降低成本。


整体拥有成本(TCO)包括购买测试资产的成本,以及仪器使用寿命中的操作成本。操作费用包括预防性维护、维修和升级。测试成本则是指在特定时间点,测试设备在制造测试流程中产生的总成本。因此在测试设备的整个使用寿命中,成本会不停变动。


制造成本会随时间下降,而测试成本则与 40 年前相差无几,这是因为更复杂的通讯技术和更高效能测试需求所致。5G 的技术演进将使得此趋势愈趋白热化。与此同时,消费者预期也不断升高。元件制造商发现他们在降低测试成本和交付高品质产品方面,面临两难的抉择。


测试效能和品质,以及用於制造测试的设备,是影响测试成本的关键。在整个元件工作流程中,从开发、试量产到大量制造,许多其他因素也会影响最终成本。如欲有效地降低测试成本,元件制造商需作到以下几点:


●检视供应商制造容量及全球销售通路,以降低试量产成本


●仔细考量测试资产价格,以降低量产制造中的设备成本


●评估仪器 IFBW、CPU、误差计算、资料处理和轨迹杂讯效能,以加快量测速度和准确度


●选择仅需最少校验需求的仪器,以提高量测稳定度,并减少测试时间、提高良率


●量测速度直接影响测试成本。例如,手持装置使用的表面声波滤波器要求毫秒(ms)级的量测。高量测速率是量产制造的关键。低轨迹杂讯对量测准确度与良率至关重要。如此一来,制造滤波器通带等低损耗元件的厂商,便可全面降低误差和测试边限。


使用通用的硬体和软体元件部署仪器

在测试平台中使用通用元件,对加速上市时间是必要的。元件制造商通常在从研发、设计验证到制造的整个工作流程中,使用不同的平台,同时也会在工作流程的不同阶段,为了不同目的而运用不同外观尺寸的仪器。以 USB 仪器为例,在研发应用的桌上型 VNA 旁边常会看到它们的身影,因为它们方便携带、堆叠和保存。不同的平台如果使用相同的操作介面,可大幅节省学习时间。


网路分析之关键效能指标,例如动态范围、量测速度、轨迹杂讯和温度稳定度等,其影响远高於其他指标。这些特性让元件制造商能更准确和快速地量测各种元件。有了宽动态范围,元件制造商不用在量测准确度和速度间作取舍,并可满足其应用需求。


通用的韧体架构是软体资产能跨平台使用的关键。元件制造商采用的仪器如果具备相同的韧体,便可使用更多元的软体。这样他们可以进行更多量测  脉冲射频、频谱分析、杂讯指数、增益压缩、混频器/变频器量测,并可量测更多种类的装置。


元件制造商通常在研发和制造阶段使用不同的仪器。如果仪器采用相同的韧体,他们还可利用研发开发的软体,以获得一般的特性。


结语

元件制造商在行动价值链中扮演重要角色。射频的普及,加深了消费者对更多功能和更低价格的期待。藉由提高元件整合度,并增进量产规模,制造商可满足这些期待。


在元件工作流程中,测试使得更出色的设计与更具竞争力的元件成真。5G 世界竞争激烈,元件制造商需要部署策略,以加速实现创新并缩短产品上市时间。另外,他们必须克服测试成本的挑战。因此,在现有测试策略上增加新的策略,包括利用多埠测试最隹化测试解决方案、部署模组化仪器以减少测试面积、部署多站测试以达到更高量测速率、采用针对制造应用最隹化的仪器。


就像看马赛克一样,元件制造商需要退後一步以看到全景。他们应当部署使用常见的硬体和软体元件的仪器,以加速元件工作流程,成为 5G 首位达阵者。


(本文由Keysight是德科技提供)


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