11月1日， 2019年中国国际信息通信展览会“ICT中国•2019高层论坛”的重量级分论坛——第四届5G创新发展高峰论坛在北京的国家会议中心召开。在大会上，IMT-2020(5G)推进组介绍中国5G技术研发试验工作进展时表示，在2019年已启动5G增强技术研发试验，重点开展芯片与系统互联互通测试，以及5G毫米波技术及产品测试。
毫无疑问，5G商用启动之后，在5G占据着关键领域的毫米波已成为目前标准组织及产业链各方研究和讨论的重点，毫米波将给未来5G终端的实现带来诸多技术挑战，同时毫米波终端的测试方案也与目前终端的有所不同。如何攻克毫米波技术的挑战，开展毫米波辐射射频测试，这些技术关口的重要性变得越来越重要。
毫米波射频模块和系统的特性分析
一直以来，人们都认为射频工程是一项专业性非常强的技能，因为射频技术并不总是按照预期那样工作，而且随着 5G 的出现以及 5G 所依赖的新通信架构方法的出现，射频工程的重要性也在不断凸显。毫米波频段频率高、带宽大等特点将对未来5G终端的实现，主要在于天线及射频前端器件。
由于射频设计复杂化，诸多挑战也随之而来，其中一个明显的挑战就是必须同时遵守几项法规，包括GSM、LTE 和 UMTS 等相关国际公认蜂窝标准、国家或地区无线电型号核准认证以及安全相关标准。为满足产品上市需求和产品从原型验证到量产这一整个过程的测试需求，对无线模块、智能手机、完整的子系统等射频设备进行测试是必不可少的。而这些需求都需要尽可能通过测试自动化来节省时间，这对于需要抢占先机来积极部署 5G 的应用尤其重要。
构建可行的测试解决方案需要采用整体性的方法。图 1 显示了一个典型的多频段射频模块，其中包含发送和接收基带信号路径、同相(I)和正交(Q)调制步骤以及 4G 和 5G 的两个独立发送/接收路径。测试系统首先需要在整个射频频谱上工作，支持授权和非授权频段，并支持从 2G 到 5G 新空口(NR)和LTE-A Pro 的所有蜂窝技术。此外，还需要加入无线网络协议，例如包括短程通信无线网络的 802.11 系列。
无线频谱的应用范围不断扩大，因此测试配置是否易于升级就非常重要。例如 2018 年，为了提供更多频谱来缓解拥挤的 2.4 GHz 和 5.0 GHz Wi-Fi 频率的压力，工业、科学研究和医疗(ISM)频段就从5.925 GHz 扩展到 7.125 GHz。
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同样，为了及时应对不断变化的无线技术，测试系统应具有 1 GHz 的瞬时带宽能力，才能测试高级算法，比如数字预失真技术的算法。
要测量的典型射频参数可能包括功率、谐波、误差矢量幅度(EVM)和相邻信道泄漏比(ACLR)。图 2 显示了一个测试配置示例。在该配置中，射频矢量信号收发仪(VST)、矢量信号分析仪(VSA)以及精密源测量单元(SMU)共同提供基带调制信号源。VSA 可以分析功率放大器的输出，并且可以检测到不必要的杂散信号、谐波和瞬变。这些观察结果有助于对放大器设计进行故障分析。
功率放大器效率是当今射频设计的一个关键度量标准，对于电池供电的设备而言十分重要，包络跟踪和数字预失真等技术可提高发射机功率放大器级的功率效率和线性度。
在测试解决方案中集成 PXI 嵌入式控制器模块，便可使用多个不同输入参数进行测试。控制器减轻了矢量信号收发仪(VST)等主要测试模块的测试任务控制负担。与台式计算机的自动化测试相比，使用嵌入式控制器可以大幅缩短每次测试的周期时间。
NI-RFmx 库提供了不同测量例程的源代码，这些代码均可添加到特性分析和测试序列中。该库还包括一个波形生成器，用于生成复杂的波形，其中包括 FSK、PSK 和 QAM 信号。
图上所示的 VST 是 NI PXIe-5840。该矢量信号收发仪包含一个 9kHz 到 6GHz RF 的矢量信号发生器和一个射频矢量信号分析仪(VSA)。其最大带宽为 1 GHz，标称输出功率为+20 dBm。
NI TestStand 测试执行软件除了为每个模块配置软件控制外，还可以将以不同语言编写的测试代码加入到一个可重复的测试计划中，并自动化执行该计划。
能够熟练使用 LabVIEW 进行测试设备自动化和控制的测试工程师将在密封的硬件集成环境中进行可视化编程，并且可以轻松地呈现测试逻辑和测量结果。
毫米波测试的挑战
除了射频工程，提供 5G功能必须用到波束形成器和前端模块(FEM)。由于在毫米波频率下，传播损耗较高，因此波束成形的作用就显得更为重要。但是，使用毫米波频率有一个好处，即天线元件的尺寸可以大幅缩小，因此可以在相对较小的物理空间中安装大量元件。这样，波束成形就成为提高天线增益的可行方法。通过将模拟移相器和数字电路相结合，基础设施设备可以将信号转向目标接收机，从而提高接收到的信号强度，扩大操作范围，并降低误码率(BER)。
测试的挑战在于如何通过这些基于 IC 的新波束成形组件和 FEM 来进行特性分析并获得出色性能。这些组件包括混频器、滤波器、功率放大器和低噪声放大器，要应对这一挑战，关键在于在维持能效的同时实现高带宽线性度。数字预失真(DPD)通常用于提高传输信号的线性度，但这要求测试设备能够生成和测量带宽五倍于所需值的信号，这远远高于 4G 测试系统的带宽要求。
发送和接收路径的互易性也需要进行测试。例如，功率放大器进行压缩区时，就会产生幅移和相移。此外，可变衰减器、可变增益放大器和移相器等射频组件的容差可能在通道之间产生不均等的相移，这可能会影响 FEM 的相位相干性。
用于 5G 的波束成形测试系统需要扫描宽频谱，并能够测试每条路径的最大线性输出和压缩行为。快速双向多端口开关测试解决方案是任何 5G 开发和生产测试环境的先决条件。
空口(OTA)测试非常适合测量和分析波束形成器和 FEM 的实际性能特性。这些测试可用于确定待测设备(DUT)将其功率输出聚焦于特定方向上的能力，并检查波束成形的质量。这需要利用空间扫描功能从 0 到 360°扫描其中一个正交坐标，然后从 0 到 180°扫描另一个正交坐标。
对此，NI 毫米波 OTA 参考解决方案就是一种 OTA 测量系统（参见上图）。该系统包含用于波形生成和分析的 NI 高带宽毫米波矢量信号收发仪(VST)、高增益天线以及具有高精度实时运动控制定位器的射频电波暗室。
借助测试序列生成器，工程师可以配置该解决方案，以便分析 DUT 波束成形功能的特性并对其进行验证。该解决方案还包含一套完整的软件，为测得的数据提供了一系列可视化选项。
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