5G商用接近兩年，截至今年8月中旬，全球共推出176個(gè)商用5G網(wǎng)絡(luò)。而中國(guó)已經(jīng)建成全球最大的5G網(wǎng)絡(luò)。今年世界電信日前夕，工信部公布了一組最新數(shù)據(jù)：中國(guó)大陸累計(jì)建成5G基站超81.9萬(wàn)個(gè)，約占全球總數(shù)的70%；5G手機(jī)終端用戶(hù)連接數(shù)達(dá)到2.8億，占全球比例超過(guò)80%。根據(jù)GSMA的預(yù)測(cè)，到2025年，5G網(wǎng)絡(luò)將覆蓋世界三分之一的人口，5G應(yīng)用將對(duì)移動(dòng)行業(yè)及其客戶(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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(dòng)通信技術(shù)，在智能手機(jī)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(wú)線電頻段和組合。對(duì)于應(yīng)用廣泛的Sub 6 GHz頻段來(lái)說(shuō)，每年都會(huì)擴(kuò)展新的頻段來(lái)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(jī)能夠支持更多的通信制式，具有更好的使用體驗(yàn)，但同時(shí)也使智能手機(jī)射頻前端（RFFE）的復(fù)雜度大大增加。與4G智能手機(jī)相比，支持5G模式手機(jī)除了頻段擴(kuò)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(kuò)展以支持不同的終端應(yīng)用

圖2  5G手機(jī)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(hào)處理單元負(fù)責(zé)信號(hào)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(wú)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(kāi)關(guān)（Switch）、雙工器（Duplexer）和低噪聲放大器（LNA）等，分別對(duì)應(yīng)不同的射頻信號(hào)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(hào)中特定頻率成分通過(guò)而極大衰減其他頻率成分，從而提高信號(hào)的抗干擾性及信噪比。目前，在手機(jī)射頻市場(chǎng)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(lèi)。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(duì)高頻的支持有望使其成為手機(jī)射頻前端的主流器件。

在實(shí)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(cè)，在射頻前端市場(chǎng)中，濾波器的價(jià)值占比超過(guò)50%，2017-2023年濾波器復(fù)合增速約為19%，超過(guò)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(jī)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，除了復(fù)雜度的提升以外，對(duì)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(lái)越難以滿(mǎn)足新的需求，射頻器件模組化已成行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。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(kāi)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(gè)至幾十個(gè)不等。針對(duì)多端口器件的測(cè)試，尤其是大批量生產(chǎn)測(cè)試，一個(gè)優(yōu)秀的測(cè)試方案，除了確保完整的電性能測(cè)試，還需在效率和時(shí)間成本之間達(dá)到最佳平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，我們能否找到這樣完美的測(cè)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(shí)際需求實(shí)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(cè)試的最佳選擇

針對(duì)射頻前端多端口器件的測(cè)試，R&S提供了兩種形式的多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
 

圖4  R&S ZNBT以及R&S ZNB + ZN-Z84是兩款專(zhuān)門(mén)針對(duì)射頻前端多端口器件的測(cè)試方案

01、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(gè)集成式測(cè)試端口。它可以并行測(cè)試多臺(tái)被測(cè)設(shè)備（DUT），或測(cè)量一臺(tái)最多達(dá)24個(gè)端口的被測(cè)設(shè)備。正是因?yàn)?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(cè)試解決方案。即便在帶有多個(gè)端口的情況下，R&S ZNBT也只需要很短的測(cè)量時(shí)間，并保持穩(wěn)定的性能。

此外，由于每個(gè)測(cè)試端口都配備了一個(gè)反射計(jì)（Reflectometer），這一設(shè)計(jì)有效消除了測(cè)試端口和測(cè)量接收機(jī)之間的損耗。因此，ZNBT擁有寬動(dòng)態(tài)范圍、高輸出功率、低跟蹤噪聲等特性。在多端口測(cè)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(kāi)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(dòng)態(tài)及穩(wěn)定性方面非常優(yōu)異。通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣擴(kuò)展端口數(shù)量， ZNB最多可進(jìn)行48個(gè)端口測(cè)量。更重要的是， ZNB 內(nèi)置了開(kāi)關(guān)矩陣的軟件驅(qū)動(dòng)，包含速度優(yōu)先和性能優(yōu)先工作模式，可自動(dòng)完成對(duì)應(yīng)測(cè)試端口的切換功能。另外， ZNB具有去嵌入功能，為DUT提供真實(shí)運(yùn)行環(huán)境的測(cè)試條件。

方案對(duì)比

從硬件結(jié)構(gòu)上看， ZNBT的每個(gè)端口都配置兩個(gè)獨(dú)立的接收機(jī)，并接入內(nèi)置信號(hào)源，所以ZNBT任意2端口的性能指標(biāo)都與一臺(tái)相同端口數(shù)的通用級(jí)ZNB相當(dāng)。對(duì)于多個(gè)測(cè)試端口，ZNBT可同時(shí)輸出信號(hào)，以完成多個(gè)DUT的并行測(cè)試，進(jìn)一步提高測(cè)試效率，且多端口應(yīng)用時(shí)速度和各項(xiàng)指標(biāo)依然保持穩(wěn)定，不會(huì)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(kāi)關(guān)矩陣R&S ZN-Z84，這一經(jīng)典測(cè)試方案，主要借助射頻開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行端口的擴(kuò)展，具有低成本優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是對(duì)于多端口器件的測(cè)試，需要多次掃描，無(wú)法實(shí)現(xiàn)并行測(cè)試。值得一提的是，由于內(nèi)置了開(kāi)關(guān)矩陣ZN-Z84的驅(qū)動(dòng)，僅需連接控制線，如USB、LAN或PCIe等，ZNB就會(huì)識(shí)別并控制開(kāi)關(guān)矩陣ZN-Z84進(jìn)行自動(dòng)切換和測(cè)試。因此，該方案的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需編寫(xiě)外部程控軟件。

 圖6 R&S ZNB + 射頻開(kāi)關(guān)矩陣R&S ZN-Z84硬件結(jié)構(gòu)

談到兩個(gè)方案的共同點(diǎn)，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(hù)定義的GPIO控制信號(hào)外，還可以提供CLK和DC供電，以及測(cè)試中要求的電流測(cè)試能力。

圖7  ZNB 后面板的MIPI 接口

在測(cè)試軟件方面，ZNB和ZNBT均提供了測(cè)試掃描序列編輯功能，支持MIPI對(duì)射頻測(cè)試流程的觸發(fā)功能，以適應(yīng)不同測(cè)試狀態(tài)下輸出的GPIO控制信號(hào)，有效降低了總的測(cè)試時(shí)間。

分離的射頻測(cè)試和MIPI 控制方案      

ZNB/ZNBT一體化的射頻測(cè)試和MIPI 控制方案