5G應(yīng)用助推射頻前端趨向模組化
5G網(wǎng)絡(luò)是新一代移動通信技術(shù)，在智能手機和其他設(shè)備上提供比以往更快的速度和更可靠的連接。由于5G具有支持高帶寬和低延遲應(yīng)用的創(chuàng)新特性和功能，因此有必要添加大量新的射頻（RF）組件以支持新的無線電頻段和組合。對于應(yīng)用廣泛的Sub 6 GHz頻段來說，每年都會擴展新的頻段來支持不同的終端應(yīng)用。新頻段的加入，使多模式多頻段（MMMB）的智能手機能夠支持更多的通信制式，具有更好的使用體驗，但同時也使智能手機射頻前端（RFFE）的復(fù)雜度大大增加。與4G智能手機相比，支持5G模式手機除了頻段擴展外，還需要向下兼容，所需的濾波器和通道數(shù)量隨之大幅度增加。
圖1 新的頻段不斷擴展以支持不同的終端應(yīng)用
圖2 5G手機所需的濾波器和通道數(shù)量大幅度增加
在通信設(shè)備中，射頻信號處理單元負(fù)責(zé)信號的發(fā)送與接收，包含射頻收發(fā)器、天線、射頻前端模組（FEM）等。其中，射頻前端模組是無線連接的核心，它由一系列器件構(gòu)成，包含功率放大器（PA）、濾波器（Filter）、切換開關(guān)（Switch）、雙工器（Duplexer）和低噪聲放大器（LNA）等，分別對應(yīng)不同的射頻信號處理功能。
其中，濾波器是射頻前端中最重要的分立器件，它的主要作用是使信號中特定頻率成分通過而極大衰減其他頻率成分，從而提高信號的抗干擾性及信噪比。目前，在手機射頻市場中主要采用聲學(xué)濾波技術(shù)。根據(jù)制造工藝的不同，聲學(xué)濾波器又分為聲表面波濾波器（SAW）和體聲波濾波器（BAW）兩大類。由于工藝復(fù)雜度、技術(shù)以及成本的限制，當(dāng)前通信標(biāo)準(zhǔn)下更多的射頻前端采用了SAW濾波器。隨著5G滲透率的提升，BAW濾波器優(yōu)異的性能以及對高頻的支持有望使其成為手機射頻前端的主流器件。
在實際應(yīng)用中，濾波器和雙工器是射頻前端模組的基礎(chǔ)器件，使用量非常大。根據(jù)Yole預(yù)測，在射頻前端市場中，濾波器的價值占比超過50%，2017-2023年濾波器復(fù)合增速約為19%，超過整體需求約14%的平均增速。
迅速增加的頻段和射頻器件數(shù)量為智能手機帶來了挑戰(zhàn)，除了復(fù)雜度的提升以外，對射頻器件占用空間的逐步壓縮和載波聚合的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的分離式射頻器件越來越難以滿足新的需求，射頻器件模組化已成行業(yè)發(fā)展趨勢。依據(jù)不同需求，射頻前端模組的構(gòu)成也有所差別，下圖為幾種典型的原理框圖。其中開關(guān)的控制接口是標(biāo)準(zhǔn)化的MIPI 接口。
圖3 典型的射頻前端模組原理框圖
不同形態(tài)模組的端口數(shù)從幾個至幾十個不等。針對多端口器件的測試，尤其是大批量生產(chǎn)測試，一個優(yōu)秀的測試方案，除了確保完整的電性能測試，還需在效率和時間成本之間達(dá)到最佳平衡。在實際應(yīng)用中，我們能否找到這樣完美的測試解決方案呢？
答案是肯定的，而且還是兩種，你完全可以根據(jù)實際需求實現(xiàn)優(yōu)中選優(yōu)。
R&S多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是射頻前端多端口測試的最佳選擇
圖4 R&S ZNBT以及R&S ZNB + ZN-Z84是兩款專門針對射頻前端多端口器件的測試方案
R&S ZNBT多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
這是一款真正的多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，能夠提供最多 24個集成式測試端口。它可以并行測試多臺被測設(shè)備（DUT），或測量一臺最多達(dá)24個端口的被測設(shè)備。正是因為 ZNBT的高集成度，使其迅速成為一款業(yè)界領(lǐng)先的緊湊型射頻前端模組測試解決方案。即便在帶有多個端口的情況下，R&S ZNBT也只需要很短的測量時間，并保持穩(wěn)定的性能。
此外，由于每個測試端口都配備了一個反射計（Reflectometer），這一設(shè)計有效消除了測試端口和測量接收機之間的損耗。因此，ZNBT擁有寬動態(tài)范圍、高輸出功率、低跟蹤噪聲等特性。在多端口測量中，具有高度穩(wěn)定性、重復(fù)性和精確度。
02
R&S ZNB + 射頻開關(guān)矩陣R&S ZN-Z84
在該方案中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 ZNB在速度、動態(tài)及穩(wěn)定性方面非常優(yōu)異。通過開關(guān)矩陣擴展端口數(shù)量， ZNB最多可進(jìn)行48個端口測量。更重要的是， ZNB 內(nèi)置了開關(guān)矩陣的軟件驅(qū)動，包含速度優(yōu)先和性能優(yōu)先工作模式，可自動完成對應(yīng)測試端口的切換功能。另外， ZNB具有去嵌入功能，為DUT提供真實運行環(huán)境的測試條件。
從硬件結(jié)構(gòu)上看， ZNBT的每個端口都配置兩個獨立的接收機，并接入內(nèi)置信號源，所以ZNBT任意2端口的性能指標(biāo)都與一臺相同端口數(shù)的通用級ZNB相當(dāng)。對于多個測試端口，ZNBT可同時輸出信號，以完成多個DUT的并行測試，進(jìn)一步提高測試效率，且多端口應(yīng)用時速度和各項指標(biāo)依然保持穩(wěn)定，不會惡化。
圖5 R&S ZNBT多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件結(jié)構(gòu)
ZNB + 射頻開關(guān)矩陣R&S ZN-Z84，這一經(jīng)典測試方案，主要借助射頻開關(guān)矩陣進(jìn)行端口的擴展，具有低成本優(yōu)勢。缺點是對于多端口器件的測試，需要多次掃描，無法實現(xiàn)并行測試。值得一提的是，由于內(nèi)置了開關(guān)矩陣ZN-Z84的驅(qū)動，僅需連接控制線，如USB、LAN或PCIe等，ZNB就會識別并控制開關(guān)矩陣ZN-Z84進(jìn)行自動切換和測試。因此，該方案的實現(xiàn)相對簡單，無需編寫外部程控軟件。
圖6 R&S ZNB + 射頻開關(guān)矩陣R&S ZN-Z84硬件結(jié)構(gòu)
談到兩個方案的共同點，那就是它們都支持射頻前端模組的MIPI控制接口，除了輸出用戶定義的GPIO控制信號外，還可以提供CLK和DC供電，以及測試中要求的電流測試能力。
圖7 ZNB 后面板的MIPI 接口
在測試軟件方面，ZNB和ZNBT均提供了測試掃描序列編輯功能，支持MIPI對射頻測試流程的觸發(fā)功能，以適應(yīng)不同測試狀態(tài)下輸出的GPIO控制信號，有效降低了總的測試時間。
分離的射頻測試和MIPI 控制方案
ZNB/ZNBT一體化的射頻測試和MIPI 控制方案
根據(jù)YOLE的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年全球RF FEM（射頻前端模塊）消費量為96億個，隨著5G的不斷發(fā)展，預(yù)計2023年全球RF FEM的消費量將增長至135億個。
圖8 5G技術(shù)轉(zhuǎn)型導(dǎo)致RFFE的復(fù)雜性不斷上升（圖源：ABI Research)
事實上，支持5G的新頻率越來越多，使用的多路復(fù)用方法也越來越多，這大大增加了射頻前端（RFFE）的復(fù)雜性（如圖8）。我們這次推薦的一體化測試方案不僅實現(xiàn)起來非常簡潔，更重要的是可以進(jìn)一步提高測試效率，大幅降低測試的時間成本。
從小編的角度看，應(yīng)對多端口射頻前端模組的測試，尤其是大批量生產(chǎn)測試，多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是最佳選擇。R&S提供的兩種形式的多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及對應(yīng)的兩款測試方案，均充分考慮了成本和效率的平衡。當(dāng)然，最后選擇哪一種方案，還要視具體情況來決定。畢竟，鞋子合不合適，只有您的腳知道！
