5G毫米波商业化方兴未艾

5G毫米波

5G宽带蜂窝技术于2019年进入了大规模部署的第一阶段。随着5G时代的到来，消费电子行业乘风而起，5G功能现已成为中高端移动设备的关键卖点。

许多公司也在制定发展计划，为未来的5G建设奠定基础，使更多极具潜力的功能成为可能。2020年3月，美国拍卖了37、39和47 GHz频段，以便运营商利用5G的毫米波(mmWave)频谱扩充容量并提高吞吐量。此次拍卖的频段称为频率范围2 (FR2)频段，是对5G传统蜂窝频谱(FR1)的补充，也成为了5G后续商业化进程的主要推动力。

结合之前的其他行业举措，未来有望分配部署以下5G毫米波频段(N257–N262)：

 

虽然许多监管机构已出台政策措施来促进5G发展，但毫米波技术的商业化绝非易事，仍需加以时日，才能从城市中心逐步向外扩展出去。对于由Verizon、AT&T、T-Mobile三大运营商主导的美国市场，26-47 GHz的毫米波频率对半导体生态系统构成了特殊的挑战，很可能与频率覆盖有关，后文将就此做详细论述。而全球市场也将面临同样的情况。

简而言之，为推动毫米波的商业化和大规模应用，需要完成三项工作。

• 首先，扩展全球供应链，以同时支持新的基础设施和面向消费者的设备。只有这样，行业才能看到5G的初始投资回报(ROI)。
• 其次，从大规模制造的角度来看，所研发的模块必须实现商业化，才能真正步入量产。
• 最后，整个行业必须能够确定并证实5G产生的宏观经济影响（即可持续利润），从而推动整个商业化进程。

以上三项工作就像一块挡在路中央的巨石，而撬动它的关键在于以经济高效的方式完成FR2频段的集成和测试，令5G毫米波的应用更具可行性，如此一来，芯片制造商就能保持市场领先地位，快速提升产品竞争力，站在5G毫米波商用的前沿，获得领先优势。

毫米波芯片量产之难

在深入探讨解决方案之前，我们先来看看毫米波芯片量产面临的主要障碍，这将有助于理解为何有些解决方案更适合FR2频率。

预期与现实的落差：倡导5G发展的企业期待5G FR2能够赋能消费和工业应用，因而自然对毫米波寄予了厚望。FR2能够支持各种高数据吞吐量的高速应用，比如旅客可在机场休息室流畅播放高清视频，体育场馆内的观众可享受到更高水平的增强现实体验。

然而，技术障碍和成本考量却浇灭了人们的期待，一些制造商甚至直接放弃了毫米波市场。

价格高昂：众所周知，更高的频率意味着更高的成本。也就是说，相比数字硬件，具备6 GHz以下RF功能的硬件成本较高，而具备毫米波功能的硬件则更加昂贵。事实上，这对总成本有很大影响，制造商需要花费大量精力来减少生产线上的外部RF板卡数量。

一般而言，封装和测试成本约占芯片平均售价的2-4%。而毫米波频谱测试设备的价格通常远高于RF频谱测试设备的价格，芯片制造商需要为此增加预算。例如，用于测试无线电链路的RF台式设备，每10 GHz覆盖率的零售价达10,000美元以上。

芯片复杂：FR2更高的频率意味着芯片复杂度也将提升。设计和开发此类硬件需要更多专业知识，因此需要新的设备来测试相关的高级封装（如封装天线AiP）芯片，此类器件采用波束成形和其他复杂操作以增强5G毫米波标准。我们之前的文章《无线测试的未来：空气传导》已对其中部分内容作了详细说明。

此外，并不存在适合所有芯片的通用测试方案。某些芯片具有额外的频率转换步骤，需要进行复杂的校准。上述的空中传输(OTA)测试方法也着重于解决日益增加的测试复杂度，确保芯片在发货前可完全正常工作。

精简生产：供应链习惯于为不同频段提供单独的插入件和板卡，比如为优化蜂窝和连接性而生产的两种分立式插入件。通过整合、标准化并精简基本的生产步骤，制造商可以获得规模经济效益。

但毫米波频段挑战重重，实现相同规模经济的途径并不明确。例如，是否每个FR2频段都需要独立的插入件，是否存在可处理整个频谱的通用方法？具体的实现途径在很大程度上取决于制造商选择的测试策略。

信号传输：毫米波的难题不止于以上所述。另一个难题在于，标准RF线缆及标准信号传输方法并不适用于毫米波频率，而原因就在于连接器接口。

量产环境中常见的射频连接器仅支持最高18 GHz的频率。相比之下，同轴连接器比波导更易实现5G FR2最佳覆盖率，因此改进信号传输更为切实可行。如果没能改进信号传输，在进行大规模、快速的芯片测试时，制造商可能将需要牺牲性能、可重复性和经济性。

以上并没有罗列出所有难题，而是突出了一些最紧迫的问题。随着毫米波的应用场景日益广泛，控制上述因素有助于芯片制造商获得技术和经济层面的优势。我们的文章《大规模向5G迁移》详细介绍了5G行业的趋势及其对希望利用5G潜力的制造商的影响。

现在我们来看看具体的方法。

制定毫米波测试策略是一个迭代的过程

从历史的角度来看，制定新的毫米波测试策略与RF商业化有着相似之处。与RF一样，毫米波测试策略涉及多渠道、多学科的方法，鉴于毫米波测试是一项新兴技术，我们需要更加敏捷的思维方式。

首先，正如价格高昂部分所述，随着频率提高，FR2测试设备的成本呈指数级增长。因此，初始测试策略应当关注如何减少所需的毫米波测试量，可通过两种主要技术实现：

 

一是内建自测(BIST)。顾名思义，BIST是指将元器件整合至集成电路(IC)中，使其能够在内部测试自身某些部分的基本功能和性能。这些部分随后会成为更广泛的环回机制的一部分。

BIST成本较低，但其结果不是从典型用例中获得的，因此数据分布松散，准确性不高。BIST的主要优点在于减少测试周期的持续时间，并凭借其集成特性，降低了测试探针设置的复杂度。

二是外部环回。这种技术常见于数字电路，未处理的信号会环回到电路本身，对于在同一设计中集成了发射器(TX)和接收器(RX)部分的RF IC很有吸引力。其原理是，TX生成一个信号，然后通过外部环回返回至RX，在RX中可以利用可用资源进行特性分析。这种方法成本较低，无需外部RF设备，还能克服内部BIST的缺陷，外部环回的准确性更高。

然而，外部环回的结果缺乏独立机制来验证绝对性能（如输出功率），也无法隔离各个电路模块的性能。由于缺乏关于绝对性能的参数，外部环回只能比较芯片之间的可重复性，而且各个指标需要独立确认，尤其是对于许可频段的应用，如果因确认不到位而违规，不仅会影响客户体验，还可能被监管机构处以巨额罚款。

如果以上初始技术达不到量产目标，则可能需要退回到采用RF设备的传统方法，但这是最后不得已的手段，相关成本也相对较高。因此，难点在于，测试工程师要充分利用低成本的板卡和有效策略，成功完成测试工作。同时，企业应重新审视预算，力求在这种情况下找到最佳平衡。

采用以优化成本为主的技术和最佳实践虽然并非理想做法，但有助于确保达成量产，也为混合测试方法创造了可能。

可既然有如此多的未知因素，为何要在这种情况下推进5G毫米波的早期商用呢？原因有二。

一是为了在其他竞争者进入市场前就建立起成熟的毫米波大规模量产和测试工艺，这是最主要的原因。

二是为了从策略开发的每个阶段持续收集数据，以便不断优化测试策略。迭代是形成最佳策略的必经之路，在此过程中，借助持续的数据分析审慎改进，可以为之后的成功商业化开辟道路。要知道，在5G毫米波领域，成功意味着技术和经济层面的双赢。

总的来说，如果我们采用上述迭代方法来实现毫米波商业化的最终目标，理想的解决方案是开发出覆盖整个5G FR2无线电范围、支持N257–N262频段（即24.25–48.20 GHz）的单个测试板卡。不同频段使用不同板卡会导致整个生态系统效率低下。

这种集成解决方案还需要支持高性能连续波形(CW)（如增益）和调制测量（如误差矢量幅度）。此外，为实现技术和经济层面的双赢，这种解决方案须支持利用高密度工位布局（如四工位或八工位）进行大规模并行测试，以提高经济效益。

 

它还应支持半导体内容标准工作流程，包括晶圆分类(WS)、功能测试(FT)和空中传输(OTA)测试，从而在每次测试插入件过程中采集数据并优化数据分析，同时实现规模经济效益。

泰瑞达毫米波测试解决方案

以上并非不切实际的高谈阔论，泰瑞达的新型UltraWaveMX53测试板卡就是实证，它能够处理5G FR2频率，支持23.8至52.6 GHz的完整许可范围。

UltraWaveMX53不仅在整个频谱范围内提供出色的性能，而且具有完全集成的温度稳定功能和校准功能。它采用每通道集成频率合成器的架构，提供一流的相位噪声性能，使得调制波形的发射和测量具有出色的误差矢量幅度(EVM)性能。

此外，UltraWaveMX53用途广泛，可以灵活适应各类量产环境。它有多种配置，支持所有常见的半导体插入件（如WS、FT、OTA）。同时，每种配置提供16个端口和两个完全独立的通道，可覆盖高达52.6 GHz的频段。

技术难题迎刃而解，那它在经济性方面的表现如何呢？

我们的UltraFLEX平台也考虑到了经济性问题。该一体化板卡支持四工位测试，因此每个工位可以容纳4个DUT，可加快测试速度并保证测试的严谨性，由此实现的并行测试是实现商业化量产的重要推动因素。

结语

毫不夸张地说，5G的问世标志着无线通信迈入了新纪元，尤其是在毫米波技术的加持下，基于毫米波的5G标准为开发新的应用，进而推动消费和企业需求创造了新的可能。  新推出的UltraWave MX53与UltraWaveMX8、MX20e、MX44e等其他5G产品相辅相成，扩充了我们丰富的产品组合。

毫米波还将对半导体生态系统产生深远影响，亦带来了新的挑战，对测试和校准提出了更高要求。芯片制造商必须对此有所了解，制定能够实现技术和经济目标的测试策略。在目前的早期阶段采用迭代方法制定测试策略不失为明智之选，但任何策略都离不开可信赖的合作伙伴和可降低测试成本、提供出色性能的即用型解决方案。

泰瑞达为积极致力于毫米波技术商业化的全球供应商提供优质设备和专业知识，已成为供应商测试策略中不可或缺的组成部分。与此同时，我们也在不断发展进步。泰瑞达对毫米波商业化进程的贡献紧跟半导体生态系统的每一次转变，我们提供应用协助、芯片接口解决方案、工程服务、软件服务等支持，确保整个商业化进程的成功落地。我们行之有效的方法可满足大批量制造对技术和经济层面的要求，深受半导体行业的信任。

如果您的组织希望在毫米波方面保持竞争优势、走在发展前沿，我们的见解将为您提供助益。欢迎随时联系我们，针对您当前面临的量产挑战，共同寻找高度优化、经济有效的解决方案。您的成功就是我们的成功。

 

David Vondran是泰瑞达的无线产品经理，负责推广适用于大批量制造的ATE解决方案，包括毫米波应用解决方案。他曾在罗克韦尔国际公司、Watkins-Johnson、Pacific Monolithics、California Microwave、安立知、OML、LitePoint、爱德万测试和Astronics Test Systems担任工程和营销职务。David毕业于加州州立理工大学波莫纳分校，获电气工程学士学位。

Rodrigo Carrillo-Ramirez在毫米波解决方案设计方面拥有20余年经验，曾就职于亚德诺半导体技术有限公司，现任泰瑞达毫米波工程经理。他拥有马萨诸塞大学阿默斯特分校电气和计算机工程博士和硕士学位，以及墨西哥国立大学电气和机械工程学士学位。