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5G元件特性分析與測試的五大最佳策略
加速創新並縮短上市時間

【作者: 是德科技】   2020年11月23日 星期一

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元件製造商需擬定有效的策略,來進行特性分析與測試,無論是何種元件(放大器、混頻器、變頻器等)。要贏得 5G 競賽,元件製造商需要對整個工作流程懷抱更大的信心。量測完整性是進行研發(R&D)時,獲得更深入設計洞察力的關鍵。元件製造商也需要加速推出產品,並減少測試成本,以維持競爭力。多埠測試設定可顯著提高量測速率,其出色效能使得元件製造商能夠趕上緊迫的時程表。


透過最佳化實作將多埠測試效益最大化

元件製造商需掌握 5G 複雜度,以因應更緊迫的時間表。5G 帶來了重大的多埠挑戰。以Massive MIMO 為例,需要大規模的多埠測試來分析天線效能。5G New Radio(5G NR) 頻率範圍 1(FR1)需要多達 66 埠。進行天線量測時,一個 8x8 MIMO 配置需要 64 埠。製造商通常需要兩個校驗埠。


現在元件測試需要愈來愈多埠。多埠特性分析已成為元件的新趨勢。針對多埠量測進行最佳化的儀器,可對待測裝置(DUT)提供全面的支援,並可實現高量測效能和準確度。如此有助於提高量測速率,並有效降低測試成本。


切換式向量網路分析解決方案常被用於多埠測試。不過,許多多埠裝置要求在每個埠與另一個埠之間進行量測。簡單的切換式測試已無法因應這種需求,因為從向量網路分析儀


(VNA)同一個埠分枝出來的切換器,彼此間沒有相連的路徑。因此切換式解決方案無法支援多埠裝置的所有路徑。


元件製造商可以使用全交叉式設定,來取代簡易的切換設定。這樣的設定可在各個埠之間執行完整的量測。不過,這樣就需要在每次測試時進行 N 對 N 校驗。同時,固態切換器的設定,很容易受到溫度的影響,因而需隨時校驗,以確保準確的量測。更嚴苛的校驗需求會影響到量測速率。


現代多埠裝置更迫切需要更快、更準確量測。隨著埠數不斷增加,將測試信號導向待測物各個埠的掃描次數也急遽上升。切換器衰減則會影響動態範圍,並減低量測效能。


真實的多埠向量網路分析儀(VNA)不需要切換器,因而可減少損耗。針對多埠測試進行最佳化的 VNA,同時支援多埠裝置的所有路徑。寬廣的動態範圍則使得它們能快速執行掃描。增加 20 dB 的動態範圍,可將量測速度加快 100 倍。如配上同步資料擷取來同時量測多埠,可進一步加快測試程序。圖一顯示多種元件不斷增加的埠數和複雜度。



圖一 : 待測物與複雜度和埠密度的關係。
圖一 : 待測物與複雜度和埠密度的關係。

善用不同平台以縮減測試面積

儀器有許多不同的外觀尺寸:桌上型、模組化和通用串列匯流排(USB)。每一種外觀尺寸都有其優點,並適用於研發、設計驗證和製造等元件工作流程的各個不同階段。元件製造商需要修改測試策略,以便在工作流程中善用各個外觀尺寸的優點。


元件製造應用較重視靈活性。模組化儀器可將多台儀器(信號產生器、信號分析儀、網路分析儀)結合在一台機箱中,以顯著減少儀器佔用的面積,並提供更強大的測試系統。配置靈活性讓元件製商能依應用需求調整測試系統。此外,他們也能隨應用需求改變而擴展配置。


模組化儀器還可節省空間。更小的測試面積代表更低的測試成本,因為協力製造商通常被要求以平方英尺收費。藉由使用 PXI,元件製造商可合併多個模組,以開發更強大的測試系統,僅佔用比箱型儀器小很多的樓板面積。



圖二 :   使用PXI VNA的多站配置範例
圖二 : 使用PXI VNA的多站配置範例

透過多站測試,讓量測速率倍增並建立多使用者測試站

在 5G 競賽中,時間就是一切。執行多埠測試時,元件製造商可部署多站配置,將量測速率倍增。多站測試需在同一機箱中納入多台 VNA,以同時測試多個裝置。對於具高隔離度的多埠裝置,例如不需在高、低頻段間進行隔離測試的 FEM,這些量測技巧能夠將量測速率最大化。多站測試支援同步掃描,可縮減測試時間並提高量測速率。


平行測試可提高量測速率,降低測試成本。這對於元件與裝置製造商極具吸引力,受惠的產品包括被動元件、行動手持裝置的表面聲波裝置,以及元件製造階段所需的通用元件, 如天線、濾波器和纜線。過去,製造商需在機架中堆疊大量的傳統儀器,以進行多站測試。模組化儀器可在更小的面積中,實現更高量測速率和更佳的靈活性。它可同時量測待測物的多路徑,並允許元件製造商同時測試類似或不同的裝置。


模組化儀器雖然具備許多優點,元件製造商需注意潛在的 CPU 問題。當測試站中 VNA 的數量增加時,控制器需進行更多運算工作。這最終會影響到處理器效能。同樣的,在單一 PXI 機箱中納入多個 VNA,其中頻頻寬(IFBW)設定對量測速度和效率影響甚鉅。為了獲致低IFBW(如1kHz),元件製造商可在每台 VNA 中安裝一個以上的核心處理器。


多站功能有助於建立多使用者測試解決方案。這項功能對元件製造商極具吸引力,因為它可支援濾波器調諧等應用,進而壓低製造成本。元件製造商可將嵌入式控制器的輸出導到顯示器,或是使用外部控制器。他們只需將電腦作業系統配置為多顯示幕,並確保電腦能偵測不同的測試站。同時,他們要盡可能縮減操作者的控制時間,以避免出現錯誤。他們可用圖形巨集(graphical macro)來達成此目標。


以更低的成本實現快速完整的製造測試

在 5G 競賽中,元件製造商需要快速又全面地測試各項產品。與此同時,他們須降低 5G 的測試成本,才能在商業上獲致成功,並推動最高的成長和獲利。


然而,消費者要求降價的壓力,在整個行動價值鏈中擴展開來,最後連晶片供應商和元件製造商都感受到了壓力。他們選擇使用的儀器,關乎他們能否因應 5G 帶來的複雜度及裝置整合要求。在元件工作流程的製造環節中,這點尤其重要。選擇合適的儀器,可協助他們實現更高的良率、可靠度,並且降低成本。


整體擁有成本(TCO)包括購買測試資產的成本,以及儀器使用壽命中的操作成本。操作費用包括預防性維護、維修和升級。測試成本則是指在特定時間點,測試設備在製造測試流程中產生的總成本。因此在測試設備的整個使用壽命中,成本會不停變動。


製造成本會隨時間下降,而測試成本則與 40 年前相差無幾,這是因為更複雜的通訊技術和更高效能測試需求所致。5G 的技術演進將使得此趨勢愈趨白熱化。與此同時,消費者預期也不斷升高。元件製造商發現他們在降低測試成本和交付高品質產品方面,面臨兩難的抉擇。


測試效能和品質,以及用於製造測試的設備,是影響測試成本的關鍵。在整個元件工作流程中,從開發、試量產到大量製造,許多其他因素也會影響最終成本。如欲有效地降低測試成本,元件製造商需作到以下幾點:


●檢視供應商製造容量及全球銷售通路,以降低試量產成本


●仔細考量測試資產價格,以降低量產製造中的設備成本


●評估儀器 IFBW、CPU、誤差計算、資料處理和軌跡雜訊效能,以加快量測速度和準確度


●選擇僅需最少校驗需求的儀器,以提高量測穩定度,並減少測試時間、提高良率


●量測速度直接影響測試成本。例如,手持裝置使用的表面聲波濾波器要求毫秒(ms)級的量測。高量測速率是量產製造的關鍵。低軌跡雜訊對量測準確度與良率至關重要。如此一來,製造濾波器通帶等低損耗元件的廠商,便可全面降低誤差和測試邊限。


使用通用的硬體和軟體元件部署儀器

在測試平台中使用通用元件,對加速上市時間是必要的。元件製造商通常在從研發、設計驗證到製造的整個工作流程中,使用不同的平台,同時也會在工作流程的不同階段,為了不同目的而運用不同外觀尺寸的儀器。以 USB 儀器為例,在研發應用的桌上型 VNA 旁邊常會看到它們的身影,因為它們方便攜帶、堆疊和保存。不同的平台如果使用相同的操作介面,可大幅節省學習時間。


網路分析之關鍵效能指標,例如動態範圍、量測速度、軌跡雜訊和溫度穩定度等,其影響遠高於其他指標。這些特性讓元件製造商能更準確和快速地量測各種元件。有了寬動態範圍,元件製造商不用在量測準確度和速度間作取捨,並可滿足其應用需求。


通用的韌體架構是軟體資產能跨平台使用的關鍵。元件製造商採用的儀器如果具備相同的韌體,便可使用更多元的軟體。這樣他們可以進行更多量測 — 脈衝射頻、頻譜分析、雜訊指數、增益壓縮、混頻器/變頻器量測,並可量測更多種類的裝置。


元件製造商通常在研發和製造階段使用不同的儀器。如果儀器採用相同的韌體,他們還可利用研發開發的軟體,以獲得一般的特性。


結語

元件製造商在行動價值鏈中扮演重要角色。射頻的普及,加深了消費者對更多功能和更低價格的期待。藉由提高元件整合度,並增進量產規模,製造商可滿足這些期待。


在元件工作流程中,測試使得更出色的設計與更具競爭力的元件成真。5G 世界競爭激烈,元件製造商需要部署策略,以加速實現創新並縮短產品上市時間。另外,他們必須克服測試成本的挑戰。因此,在現有測試策略上增加新的策略,包括利用多埠測試最佳化測試解決方案、部署模組化儀器以減少測試面積、部署多站測試以達到更高量測速率、採用針對製造應用最佳化的儀器。


就像看馬賽克一樣,元件製造商需要退後一步以看到全景。他們應當部署使用常見的硬體和軟體元件的儀器,以加速元件工作流程,成為 5G 首位達陣者。


(本文由Keysight是德科技提供)


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