Der Einsatz der mmWave-Technologie ist gleichbedeutend mit der 5G-Einführung und die ersten Ergebnisse für schnellere Verbindungen sind erstaunlich. Wenn Sie beispielsweise ein mmWave-Band verwenden, bedeutet die Aussicht auf eine 1-2-Gbit/s-Verbindung, dass ein typischer HD-Film in weniger als einer Minute heruntergeladen werden kann. Eine Upload-Verbindung von 30 Mbit/s ermöglicht zudem die Übertragung von Videos zurück in die Cloud in Rekordgeschwindigkeit. Diese Benutzererlebnisse werden durch die Antennenverbindungen zwischen Smartphones und Small Cells ermöglicht und sind eine genauere Betrachtung wert.

In einem früheren Blogbeitrag Die große Migration zu 5G ist im Gangehaben wir die Signalverteilungsinfrastruktur einschließlich des 5G-IF-Mechanismus besprochen. In diesem begleitenden Beitrag besprechen wir das technische Wunderwerk des mmWave-Beamforming-Moduls, das die Antenne des Smartphones darstellt, einschließlich des Arbeitsablaufs vom Design bis zur Produktion.

Design für das Linkbudget

In der Entwurfsphase müssen alle drahtlosen Verbindungen strengen Berechnungen unterzogen werden, um die Einhaltung eines Verbindungsbudgets sicherzustellen. Diese Berechnungen basieren auf drahtlosen Parametern, wie in der folgenden Abbildung vereinfacht, um eine optimale Leistung sicherzustellen. In diesem Fall konzentrieren wir uns auf die mmWave-Anwendung, wie durch das Antennenarray (anstelle eines einzelnen Antennenelements) ersichtlich ist.

Auf der Sendeseite der Verbindung wird die Sendeleistung (P_TX) und Sendeantennengewinn (G_TX) legen Anfangsbedingungen für die Deckung fest. Auf der Empfangsseite ist die Empfangsleistung (P_RX) und Empfangsantennengewinn (G_RX) Vervollständigen Sie den Link. Der Abstandsabstand (D) zwischen Senden und Empfangen bestimmt Beschränkungen für die Abdeckung. Die Friis-Gleichung regelt diese Link-Budgeting-Berechnungen, die 1945 von Herald T. Friis von Bell Labs abgeleitet wurde.

Schließlich muss das Verbindungsbudget auch die folgenden atmosphärischen Absorptionseigenschaften berücksichtigen, insbesondere die höhere Dämpfung, die bei höherer Frequenz auftritt und mit der Höhe und dem Feuchtigkeitsgrad variieren kann.

Quelle: Han J. Liebe, Millimeterwellen-Ausbreitungsmodell, MPM93

Das Wunder der Technik bei mmWave-Verbindungen hängt mit dem Antennengewinn in der Friis-Gleichung zusammen. Bei kleineren Wellenlängen (z. B. 60 GHz sind 5 mm) ist es möglich, ein elektrisch großes Antennenarray zu bauen, um den Gewinn zu erhöhen; Tatsächlich ist es diese Beamforming-Technologie, die wirklich mmWave-Verbindungen für 5G ermöglicht.

Antenne im Paket (AiP)

Wie jeder Teardown eines 5G-Smartphones zeigen wird, sind mehrere Antennenmodule überall verteilt, die das vorgegebene mmWave-Verbindungsbudget einhalten. Diese Antennenmodule sehen aus wie die folgende Antenne im Paket (AiP) von Qualcomm, die zum Testobjekt (DUT) für die Massenfertigung wird.

Ein Produkt von Qualcomm Technologies, Inc. und/oder seinen Tochtergesellschaften.

Beachten Sie das dünne Gehäuseprofil, das in das kompakte 5G-Smartphone-Design passt. Mehrere Instanzen dieses Antennenmoduls sind im Rahmen des Einsatzes der mmWave-Technologie um den Umfang des 5G-Smartphones herum verteilt. Ebenso ist eine entsprechende Antenne in der Small Cell Basisstation zum Verbindungsaufbau notwendig. Auf diese Weise ist die mmWave-Verbindung bereit, Daten zu übertragen.

Bahnbrechende neue Over-the-Air-Testmethoden

Die zu untersuchende Frage ist, wie dieses aufkommende mmWave-Gerät getestet werden kann, wenn eingebettete mmWave-Schaltkreise und Beamforming-Antennenstrukturen für Sende- und Empfängeroperationen vorhanden sind. Da die Antenne Teil des Pakets ist, müssen sich die Tests weiterentwickeln Over-the-Air (OTA)-Methoden die in Produktionsumgebungen mit hohen Stückzahlen praktisch sind.

Als schnelle Einführung in die Antenne ist während der Entwurfsphase ein reflexionsarmer Raum erforderlich, um dieses drahtlose Gerät zu charakterisieren. Bei diesem Fernfeld-Ansatz, der den Einsatz emuliert, wird das Gerät auf einem Sockel platziert und gedreht, um das Antennenmuster gegenüber der physischen Ausrichtung des DUT sichtbar zu machen. Die Kammer dient zwei Zwecken: Erstens verhindert sie Interferenzen durch Signale in der Nähe und schafft zweitens eine reflexionsfreie Testumgebung. Die Gesamtgröße der Kammer ist proportional zu den Betriebswellenlängen und im Fall der mmWave-Technologie ist die Kammer relativ klein. Allerdings nicht klein genug für die in der Produktion notwendige Automatisierung.

Die zum Erstellen einer OTA-Insertion erforderliche Anpassung wird im folgenden neuen Silikon-Workflow gezeigt. Nach der Wafersortierung muss das Beamforming-Modul getestet werden, um Verpackungsfehler (und Ausreißer) aufzudecken. Eine OTA-Einfügung mit einer höheren Standortdichte senkt die Testkosten und beschleunigt die Einführung der mmWave-Technologie (im Vergleich zu einer geringeren Standortdichte).

Der Arbeitsablauf für RFIC-Tests während der Wafersortierung ist einfach, da bekanntermaßen gute Chips (KGD) für nachfolgende Verpackungsaktivitäten mit der Antennenstruktur hergestellt werden müssen. Die Herausforderung besteht also darin, eine OTA-Lösung zu erstellen, die für die Fertigung skalierbar ist.

Die Kammer spielt im OTA-Design eine Rolle

Als Teil unserer Teststrategie betrachten wir zunächst einen Single-Site-Design-Ansatz. Anschließend lässt sich das Einzelstandortdesign leicht auf die gewünschte Standortdichte extrapolieren, um die Kosten der Testziele zu erfüllen. Dieser Designansatz beginnt mit der Auswahl eines Standard-Handlers, um den verfügbaren Anwendungsraum, die Antennenplatzierung, die Teilehandhabung und die Zukunftssicherheit für die Standortdichte zu verstehen. Durch die Nutzung eines Standard-Handlers werden die Kosten kontrolliert, indem vorhandene RF-Handler für Skaleneffekte genutzt werden.

Das anfängliche Problem im Vergleich zum Ansatz mit schalltoten Kammern besteht darin, dass diese herkömmliche Kammergröße, selbst ein kompakter Bereich, für die Interaktion mit einem Standard-Handler unpraktisch ist. Stattdessen ist eine kleinere Kammer erforderlich, die für mmWave-Best Practices optimiert ist und einen skalierbaren Weg zu einer höheren Standortdichte schafft. Jede schalltote Kammer kapselt auf ähnliche Weise das DUT ein und erfordert eine zusätzliche Designoptimierung in Abhängigkeit von der Zielwellenlänge und der Gehäusegröße.

Als nächstes betrachten wir den Kammerdesignprozess als Teil der gesamten Teststrategie. Ausgangspunkt ist in der Regel ein bewährtes Engineering Evaluation Kit; andernfalls ist ein komplett neues Design erforderlich. In jedem Fall erfordert das Kammerdesign in der Regel einen Antennenguru, der durch den Bau von Modellen für das Fernfeld entwirft, sodass Vergleiche zwischen den vorhergesagten und tatsächlichen Ergebnissen zwischen der größeren schalltoten Kammer und der kleineren produktionsfreundlichen Variante möglich sind. Zur Erinnerung: Wir brauchen diesen einzelnen Standort, um wiederholbare Ergebnisse zu erzielen, bei denen jedes dB in diesen lizenzierten mmWave-Bändern zählt. Die Komplexität des Kammerdesigns ist nicht trivial und muss auch den Formfaktor, die Größe und das Beamforming-Antennenlayout des Antennengehäuses sowie die Variationen berücksichtigen, die auftreten werden, wenn das mmWave-Modul für den Einsatz optimiert wird.

Zusammen mit dem Kammerdesign müssen wir die Voraussetzungen für die Verbindung der physikalischen Schicht erfüllen, einschließlich der Signalverteilung. Das Single-Site-Design wird für die Bohrungssicht der Beamforming-Antenne optimiert, einschließlich sowohl horizontaler als auch vertikaler Polarisation in elektromagnetischen (EM) Signalen, was kein allzu schwieriges Problem zu lösen ist.

In Bezug auf Verbindungen und Kammerdesign müssen wir unsere Teststrategie für die Antennen-Beamforming-Funktion entwickeln, die am kostengünstigsten durch einen Ansatz erreicht wird, der die einzelnen Antennenelemente (im Gegensatz zum gesamten Beamforming-Muster) testet. Die Voraussetzung für die Signalabgabe ist hier die genaue Platzierung der Testantenne(n) relativ zum DUT. Dieser Schritt umfasst viele mechanische und EM-Herausforderungen, um sowohl die Wiederholbarkeit als auch die Genauigkeit der Testergebnisse sicherzustellen. Dieser Schritt erfordert mmWave-Expertise, mechanisches Handwerk und sorgfältige Simulationsbemühungen, um die vorhergesagten und tatsächlichen Ergebnisse zu vergleichen.

Nun, da das DUT über ein geeignetes Single-Site-Design für Tests verfügt, müssen wir schließlich die tatsächliche Testabdeckung berücksichtigen, einschließlich aller Kalibrierungs- und Wartungsprobleme (z. B. Änderungskits). Im Interesse der niedrigsten Testkosten sollten einige beliebte Loopback-Methoden in Betracht gezogen werden:

1. Rücklauf. Dieser kostengünstigste Ansatz aktiviert das DUT und misst die resultierende Leckage zwischen Antennenknoten, um die DUT-Qualität primitiv zu beurteilen. Keine bevorzugte Methode, da das DUT nicht dafür ausgelegt ist, auf diese Weise zu arbeiten.
2. Rückstrahl. Dies ist ein teurerer Ansatz, bei dem ein externer Reflektor einen Rückkopplungsmechanismus zu den Antennenknoten einführt, der eine bessere Bewertung der DUT-Qualität ermöglicht (im Vergleich zum Rückfluss). Dies ist auch nicht ideal, da normalerweise zu viel Leistung in den Empfangspfad gesteckt wird und das DUT nicht dafür ausgelegt ist, auf diese Weise zu arbeiten.
3. Bestrahlter Test. Dieser Ansatz ähnelt am ehesten dem Ansatz der schalltoten Kammer, da das DUT und der Tester mit den richtigen Signalpegeln interagieren, um einen parametrischeren Test zu ermöglichen, der den Pass/Fail-Status bestimmt. Dieser Charakterisierungsansatz kann auch das DUT kalibrieren.

Jeder Schritt in diesem Single-Site-OTA-Designprozess ist vernünftig, aber die Summe der System-Engineering-Aufwände erfordert die Ausführung eines multidisziplinären Teams auf Expertenebene. Erschwerend kommt hinzu, dass der Prozess aufgrund der Verbraucherelektronik-Natur wahrscheinlich mehrere Iterationen in Bezug auf Gehäusegröße, Formfaktor und Antennenplatzierung erfordert. Ein OTA-Designprozess an einem einzigen Standort für den gesamten Arbeitsablauf ist erforderlich, um den Betrieb für ein einzelnes DUT und für mehrere DUTs, die in verschiedenen Bändern arbeiten, zu rationalisieren. Und das Kammerdesign ist am wichtigsten für die Erstellung des OTA-Setups für produktionsfreundliche Umgebungen. Dieser OTA-Designprozess an einem einzigen Standort kann dann extrapoliert werden, um die Vorteile von Standard-Handler-Fähigkeiten zu nutzen, um das angestrebte Produktionsbudget für den aktuellen und zukünftigen Produktmix zu erreichen.

OTA-Lösung für mmWave

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Teradyne ist ein stolzer Pionier neuer mmWave-Testmethoden. Mit unserem multidisziplinären Team auf Expertenebene verfügen wir über eine patentierte Methode zur Rationalisierung Ihrer Abläufe vom Entwurf bis zur Produktion, die eine endgültige Handhabungslösung umfasst, die um x8-Standorte herum aufgebaut ist und ein benutzerdefiniertes schalltotes Kammerelement enthält. Der Workflow umfasst das Design einzelner Standorte und die Skalierbarkeit auf mehrere Standorte sowie Best Practices zum Vergleichen von vorhergesagten simulierten und tatsächlichen Ergebnissen. Der Vorteil ist eine schnellere Produktionsreife mit einer bewährten Lösung, die wiederholbare OTA-Ergebnisse für neue Geräte liefert.

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