De inzet van mmWave-technologie staat synoniem voor de uitrol van 5G en de eerste resultaten voor snellere verbindingen zijn verbluffend. Als u bijvoorbeeld een mmWave-band gebruikt, betekent de kans op een 1-2 Gbps-link dat een typische HD-film in minder dan een minuut kan worden gedownload. Een uploadlink van 30 Mbps maakt het ook mogelijk om video's in een recordtempo terug naar de cloud te sturen. Deze gebruikerservaringen worden mogelijk gemaakt door de antenneverbindingen tussen smartphones en kleine cellen en zijn de moeite waard om nader te bekijken.

In een eerdere blogpost, De grote migratie naar 5G is aan de gang, bespraken we de signaaldistributie-infrastructuur, inclusief het 5G-IF-mechanisme. In deze begeleidende post bespreken we het technische wonder in de mmWave beamforming-module die de antenne van de smartphone vertegenwoordigt, inclusief de workflow van ontwerp tot productie.

Ontwerp voor het linkbudget

In de ontwerpfase moeten alle draadloze verbindingen rigoureuze berekeningen ondergaan om ervoor te zorgen dat aan een verbindingsbudget wordt voldaan. Deze berekeningen zijn gebaseerd op draadloze parameters, zoals vereenvoudigd in de volgende afbeelding, om optimale prestaties te garanderen. In dit geval concentreren we ons op de mmWave-toepassing zoals blijkt uit de antenne-array (in plaats van een enkel antenne-element).

Aan de zendzijde van de link is het zendvermogen (P_TX) en zend antenneversterking (G_TX) initiële voorwaarden voor dekking stellen. Aan de ontvangstzijde is het ontvangstvermogen (P_RX) en ontvang antenneversterking (G_RX) vul de link in. De scheiding in afstand (D) tussen zenden en ontvangen bepaalt de beperkingen van de dekking. De Friis-vergelijking is wat deze linkbudgetberekeningen regelt, die in 1945 werd afgeleid door Herald T. Friis bij Bell Labs.

Ten slotte moet het verbindingsbudget ook rekening houden met de volgende atmosferische absorptiekenmerken, met name de hogere demping die optreedt bij hogere frequentie, en kan variëren met de hoogte en vochtigheidsniveaus.

Bron: Han J. Liebe, Millimeter Wave Propagation Model, MPM93

Het technische wonder in mmWave-koppelingen houdt verband met de antenneversterking in de Friis-vergelijking. Met kleinere golflengten (bijv. 60 GHz is 5 mm), is het mogelijk om een ​​elektrisch grote antenne-array te bouwen om de versterking te vergroten; in feite is het deze beamforming-technologie die mmWave-koppelingen voor 5G echt mogelijk maakt.

Antenne in pakket (AiP)

Zoals elke demontage van een 5G-smartphone zal onthullen, zijn er meerdere antennemodules verspreid die voldoen aan het vooraf bepaalde mmWave-linkbudget. Deze antennemodules zien eruit als de volgende antenne in pakket (AiP) van Qualcomm, die het te testen apparaat (DUT) wordt voor overweging bij hoge productievolumes.

Een product van Qualcomm Technologies, Inc. en/of haar dochterondernemingen.

Let op het dunne pakketprofiel dat past binnen het compacte 5G-smartphoneontwerp. Meerdere exemplaren van deze antennemodule zijn verspreid over de omtrek van de 5G-smartphone als onderdeel van de inzet van mmWave-technologie. Evenzo is een overeenkomstige antenne in het basisstation met kleine cellen nodig om een ​​verbinding tot stand te brengen. Op deze manier is de mmWave-link klaar om gegevens over te dragen.

Baanbrekende nieuwe over-the-air testmethoden

De vraag die moet worden onderzocht, is hoe dit opkomende mmWave-apparaat kan worden getest met ingebedde mmWave-circuits en bundelvormende antennestructuur voor zend- en ontvangerbewerkingen. Met de antenne als onderdeel van het pakket, moet het testen evolueren om: over-the-air (OTA) methoden die handig zijn in productieomgevingen met grote volumes.

Als snelle antenne-primer is tijdens de ontwerpfase een echovrije kamer nodig om dit draadloze apparaat te karakteriseren. In deze verre-veldbenadering die emuleert hoe het zal worden ingezet, wordt het apparaat op een voetstuk geplaatst en gedraaid om het antennepatroon te onthullen ten opzichte van de fysieke oriëntatie van de TU Delft. De kamer heeft twee doelen: ten eerste voorkomt het interferentie van nabije signalen en ten tweede creëert het een reflectievrije testomgeving. De totale grootte van de kamer is evenredig met de operationele golflengten en in het geval van mmWave-technologie is de kamer relatief klein. Maar niet klein genoeg voor het soort automatisering dat nodig is in de productie.

De aanpassing die nodig is om een ​​OTA-invoeging te maken, wordt weergegeven in de volgende nieuwe siliciumworkflow. Na het sorteren van de wafels moet de bundelvormende module worden getest om verpakkingsdefecten (en uitbijters) aan het licht te brengen. Een OTA-invoeging met een hogere sitedichtheid verlaagt de testkosten en versnelt de acceptatie van mmWave-technologie (vergeleken met een lagere sitedichtheid).

De workflow voor RFIC-tests tijdens het sorteren van de wafels is eenvoudig in die zin dat er bekende goede matrijzen (KGD) moeten worden geproduceerd voor daaropvolgende verpakkingsactiviteiten met de antennestructuur. De uitdaging ligt dus in het creëren van een OTA-oplossing die schaalbaar is voor productie.

De kamer is van belang in het OTA-ontwerp

Ten eerste beschouwen we als onderdeel van onze teststrategie een benadering voor het ontwerpen van een enkele site. Daarna kan het ontwerp van één locatie gemakkelijk worden geëxtrapoleerd naar de gewenste locatiedichtheid om te voldoen aan de kosten van testdoelen. Deze ontwerpbenadering begint met de selectie van een standaard handler om inzicht te krijgen in de beschikbare toepassingsruimte, antenneplaatsingen, onderdelenverwerking en toekomstbestendig voor sitedichtheid. Door gebruik te maken van een standaard handler worden de kosten beperkt door gebruik te maken van bestaande RF-handlers voor schaalvoordelen.

Het eerste probleem, vergeleken met de echovrije kamerbenadering, is dat deze conventionele kamergrootte, zelfs een compact bereik, onpraktisch is voor interactie met een standaard handler. In plaats daarvan is een kleinere kamer nodig die optimaliseert voor mmWave-best practices en een schaalbaar pad creëert naar een hogere sitedichtheid. Elke echovrije kamer zal op dezelfde manier de DUT inkapselen en aanvullende ontwerpoptimalisatie vereisen, afhankelijk van de doelgolflengte en de pakketgrootte.

Vervolgens beschouwen we het ontwerpproces van de kamer als onderdeel van de algemene teststrategie. Het startpunt is meestal een beproefde technische evaluatiekit; anders is een nieuw ontwerp nodig. Hoe dan ook, het ontwerp van de kamer vereist meestal een antennegoeroe om te ontwerpen voor verre velden door modellen te bouwen, zodat voorspelde versus werkelijke resultaatvergelijkingen mogelijk zijn tussen de grotere echovrije kamer en de kleinere productievriendelijke variant. Ter herinnering: we hebben deze enkele site nodig om herhaalbare resultaten te produceren waarbij elke dB ertoe doet in deze gelicentieerde mmWave-banden. De complexiteit in het kamerontwerp is niet triviaal en moet ook rekening houden met de vormfactor, grootte en bundelvormende antennelay-out van het antennepakket, evenals de variaties die zullen optreden als de mmWave-module wordt geoptimaliseerd voor implementatie.

Naast het ontwerp van de kamer, moeten we voldoen aan de vereisten voor de onderlinge verbinding van de fysieke laag, inclusief signaaldistributie. Het ontwerp met één locatie zal optimaliseren voor de boring van de bundelvormende antenne, inclusief zowel horizontale als verticale polarisatie in elektromagnetische (EM) signalen, wat een niet al te moeilijk probleem is om op te lossen.

Met betrekking tot interconnects en kamerontwerp, moeten we onze teststrategie ontwikkelen voor de beamforming-functie van de antenne, die het meest betaalbaar wordt gediend door een benadering die de individuele antenne-elementen test (in tegenstelling tot het algemene beamforming-patroon). De voorwaarde voor signaalafgifte is hier een nauwkeurige plaatsing van de testantenne(s) ten opzichte van de TU Delft. Deze stap omvat veel mechanische en EM-uitdagingen om zowel herhaalbaarheid als nauwkeurigheid in testresultaten te garanderen. Deze stap vereist mmWave-expertise, mechanisch vakmanschap en zorgvuldige simulatie-inspanningen om voorspelde en werkelijke resultaten te vergelijken.

Ten slotte, nu de TU Delft een goed ontwerp voor één locatie heeft voor tests, moeten we rekening houden met de daadwerkelijke testdekking, inclusief eventuele kalibratie- en onderhoudsproblemen (bijvoorbeeld wijzigingskits). In het belang van de laagste testkosten, zijn er een paar populaire loopback-methoden om te overwegen:

1. teruglek. Deze benadering met de laagste kosten activeert de TU Delft en meet de resulterende lekkage tussen antenneknooppunten om de kwaliteit van de TU Delft primitief te beoordelen. Geen voorkeursmethode omdat de TU Delft niet is ontworpen om op deze manier te werken.
2. Straalrug. Dit is een duurdere benadering waarbij een externe reflector een feedbackmechanisme introduceert op de antenneknooppunten dat meer DUT-kwaliteitsbeoordeling mogelijk maakt (vergeleken met teruglekken). Dit is ook niet ideaal omdat er meestal te veel stroom in het ontvangstpad wordt gestopt en de DUT niet is ontworpen om op deze manier te werken.
3. Uitgestraalde test. Deze benadering lijkt het meest op de echovrije kamerbenadering, omdat de DUT en tester samenwerken met de juiste signaalniveaus om meer parametrische tests mogelijk te maken die de pass/fail-status bepalen. Deze karakteriseringsbenadering kan ook de TU Delft kalibreren.

Elke stap in dit OTA-ontwerpproces voor één locatie is redelijk, maar de som van de inspanningen op het gebied van systeemengineering vereist een multidisciplinair team op expertniveau om uit te voeren. Complicerende zaken zijn de consumentenelektronica-aard van het proces dat waarschijnlijk meerdere iteraties in pakketgrootte, vormfactor en antenneplaatsing zal vereisen. Een OTA-ontwerpproces op één locatie voor de algehele workflow is nodig om de operaties voor een enkele TU Delft te stroomlijnen, en voor meerdere TU’s die in verschillende banden zullen werken. En het ontwerp van de kamer is het belangrijkst voor het creëren van de OTA-opstelling voor productievriendelijke omgevingen. Dit OTA-ontwerpproces voor één locatie kan vervolgens worden geëxtrapoleerd om te profiteren van standaard handlermogelijkheden om het beoogde productiebudget te bereiken voor de mix van producten, zowel huidige als toekomstige.

OTA-oplossing voor mmWave

Voordat u uw supply chain-verhaal in gevaar brengt met een doe-het-zelf-aanpak, moet u beoordelen: Teradyne's productieklare OTA-oplossing voor mmWave-toepassingen. Onze system engineering-aanpak maakt een workflow van ontwerp tot productie mogelijk voor opkomende apparaten die OTA-testmethoden vereisen. Door workflowproblemen op te lossen in overeenstemming met best practices voor productie van grote hoeveelheden, helpt Teradyne de productietijd te versnellen.

Teradyne is een trotse pionier van opkomende mmWave-testmethodologieën. Met ons multidisciplinaire team op expertniveau hebben we een gepatenteerde methode om uw activiteiten van ontwerp tot productie te stroomlijnen, waaronder een definitieve handleroplossing die is gebouwd rond x8-sites met een aangepast echovrij kamerelement. De workflow omvat het ontwerp van afzonderlijke sites en schaalbaarheid naar meerdere sites, samen met best practices voor het vergelijken van voorspelde gesimuleerde en werkelijke resultaten. Het voordeel is een snellere productietijd met een bewezen oplossing die herhaalbare OTA-resultaten levert voor opkomende apparaten.

Meer informatie over Teradyne's UltraFLEXplus-tester, Onze mmWave-instrumentatie en OTA-oplossing.