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RF模块严峻的测试面临的挑战如何解决

2020年03月29日 16:06 次阅读

数字电路方面,摩尔定律促使供应商们在单个CMOS集成电路中提供更多功能方面突飞猛进。不过,无线部分需要大量其他有源无源元件,以及基带数字芯片、功率放大器开关,和低噪声放大器。分立式无源元件不遵循摩尔定律,不满足持续的微型化要求。EPCOS副总裁兼SAW部CTO Christian Block在2004年的一次访谈中解释了这个问题及其解决方案(参考文献1)。他说:“重要的进展不再来自于分立式无源元件的持续小型化。因此我们选择了基于LTCC技术的无源集成。”

LTCC推动微型化

“LTCC”是指低温共烧陶瓷技术,EPCOS用它来建立多层陶瓷衬底,用于嵌入无源元件。与FR4材料或层压材料相比,LTCC衬底的损耗更低,能在紧凑空间内集成很多无源元件(参考文献2)。

EPCOS模块产品开发总监Patric Heide博士表示,一个LTCC模块可能有10到20层,每层厚度在30到50微米之间。EPCOS可以在这些层之间建立电感电容,实现滤波器功能和平衡-不平衡转换器(Balun)。Heide博士解释说,为了帮助推进微型化,这些模块还装入了一些半导体芯片,如通常采用GaAs技术的功率放大器和开关。他说:“我们在集成这些有源GaAs器件与LTCC结构方面获得了很多知识,并且充分利用了我们在倒装芯片和引线接合方面的经验,以实现批量生产中的制造成品率。”

他继续说,高水平集成的结果是“我们向客户交付了采用单个封装、经过全面测试RF系统。在手机中,一侧是基于CMOS的射频IC,另一侧是天线。我们提供一个介于两者之间的全功能前端模块。”

一个实例是2008年1月份推出的微型全合一前端模块,可用于蓝牙和IEEE 802.11b/g/n WLAN应用。该模块集成了一个WLAN功率放大器、一个WLAN/蓝牙开关、一个接收平衡-不平衡转换器,以及偏置电路和针对所有RF及DC端口的ESD(静电放电)保护,其插入高度只有1.4 mm,仅占用电路板4.5×3.2 mm²的空间。D6101还带有一个共存滤波器,符合全球所有蜂窝标准的WLAN及蓝牙应用可以同时工作。

多端口测试挑战

在我参观EPCOS总部期间,Heide博士和他的同事们概略描述了测试这些模块时面临的严峻挑战。Jörg Schuler博士在EPCOS SAW部负责制造工程与测试策略,他谈到了测试多RF端口高集成度微型封装所需的复杂性:“对于一个GSM四频WCDMA三频模块,必须测试四个GSM平衡端口、两个Tx端口、三个宽带CDMA端口,还有一个天线。在最终测试阶段需要同时测试14个端口。”(每个平衡GSM端口都包括一个平衡-不平衡转换器,它有两个连接到测试系统的端口)。他表示,重要的规范包括高动态范围和良好的阻带性能,“因此你的测试系统需要提供尽可能低的损耗。”

Schuler博士称,EPCOS使用的早期测试系统包括一个双端口VNA(矢量网络分析仪)和12端口矩阵。他补充说,EPCOS早期与Rohde & Schwarz讨论过测试设备的需求,最终使用了一台8端口R&S ZVT VNA,它支持高达20 GHz的测试覆盖范围,带有一个10端口矩阵。他说,这种组合的结果是连接到待测单元上的开关数较少,因此大幅度降低了损耗,增加了动态范围,并提供更准确的测量

Schuler博士表示,重要的还有快速的校准时间,使校准工作更便于在现场完成。他说:“我们今天使用的是一个16端口校准标准,它能够一次自动校准16个端口,只要将测试设备连接到标准版CAL,启动自动校准程序就行了。这对批量生产非常实用。”他补充说,对EPCOS位于中国无锡的制造厂,自动校准尤其重要,他解释说,使用彩色编码的电缆连接器,操作员可以快速地完成所需连接,然后按下一个键。

保持短的测试时间

Schuler博士称,尽管集成度在不断增加,模块中包含了需要作非线性测量的有源元件,但仍要保持短的测试时间。他补充说,ACPR(邻道功率比)、谐波和其他参数的测量都可以采用信号发生器和频谱分析仪的组合,但对于三、四个功率级的全面特性描述,这种测量需要较长的时间。Schuler博士称,与之相比,VNA可以快速测出增益、1 dB压缩点和谐波,而“缩短测试时间意味着我们成本的降低。”

Heide博士描述了高集成度LTCC前端模块所带来的特殊测试挑战,该模块也包含功率放大器这类有源元件。他说,对这些模块的测试涉及陶瓷自身内部滤波器功能的小信号测量,以及对模块封装中嵌入放大器功能的大信号特性描述。具体的测试随应用而变化,但一般包括的步骤有S参数测量与谐波测量,后者用于确保符合对杂散辐射的监管要求。

RF模块严峻的测试面临的挑战如何解决

图1表示WLAN和WiMAX模块需要的测试步骤。Heide博士称,IEEE 802.11和802.16设备的一个主要要求是工作在OFDM(正交频分复用)格式下的发射器线性度。他补充说,EVM(误差矢量幅度)是线性度的一个关键指标。为了实现待开发模块的全面特性描述,EPCOS工程实验室通常会采用基于PC的自动测试台,它带有一台R&S ZVA24 VNA、一个定制的多端口测试集、一台R&S FSQ26矢量信号分析仪,以及一台R&S SMJ100矢量信号发生器。

Heide博士解释说,耗时的测试过程不适用于批量生产。“我们不能接受一个花费半分钟或一分钟的测试。我们需要在几秒钟内完成测试。”

用抽样测试加快生产过程也不可取。Schuler博士说:“我们对每件离开工厂的产品都要作全面的特性测试。”他补充说EPCOS希望做到在开始一个新模块的生产时,测试程序调整需求的最小化。“我们的方案永远是将与实验室相同的测试设置用于生产线的测试环境。”

Heide博士说,EPCOS最近开发了一种组合模块(图2),它在一个单元内支持全球所有的WiFi和WiMAX标准(2.5 GHz WiFi、2.5 GHz WiMAX、3.5 GHz WiMAX和5.5 GHz WiFi)。他说,这种三频段模块以四种模式工作,WiFi和WiMAX共享2.5 GHz频段,而3.5 GHz频段只支持WiMAX,5.5 GHz频段只支持WiFi。

RF模块严峻的测试面临的挑战如何解决

该模块有六个平衡-不平衡转换器、三个发射滤波器、三个接收滤波器,以及三个谐波滤波器。Heide博士说:“有很多滤波器需要作特性分析。”该器件还包含三个功率放大器芯片和一个SP4T开关。其架构包括三个平衡发射和三个平衡接收路径,以及一个天线端口。因此,就有13个RF端口要进行测试,这是R&S ZVT VNA的任务。

集成软件

当然,单靠多端口RF测量能力并不足以开发出一个有效的测试策略。软件扮演着一个重要的角色,它既可控制仪器和处理程序,也可获取和分析数据,目标是统计过程控制。为此,得到Rohde & Schwarz公司工程师支持的EPCOS工程师正致力于EPCOS专用测试软件与Rohde & Schwarz VNA软件的集成。Schuler博士解释说:“对我们最大的好处是,我们拥有了一个可控制VNA和切换矩阵的单一软件界面。”

尽管重点是Rohde & Schwarz的仪器,EPCOS工程师们的实验室中也确有来自其他测量设备供应商的仪器。Heide博士说这种额外设备使EPCOS工程师确保测试结果的完全兼容和再现性,例如为EPCOS客户或参考设计伙伴完成的特殊测量。这些测量有时会用到多家供应商仪器生成的很特殊的数字调制方法。

不过,EPCOS很重视与Rohde & Schwarz建立的工作模型。Schuler博士说:“没有本地的支持,与测试设备制造商的合作可能很难”,他接着说,预测今后3到5年需要的功能不是件容易的事。他继续说,“重要的是交互合作,充分利用测试设备的能力,”因为要将所有测量难题凑在一起,需要仪器供应商与客户之间的持续对话。

Schuler还说,通过与Rohde & Schwarz公司客户支持的密切合作,EPCOS还有机会使用还没有上市的产品。“这使我们有机会提供很多反馈,并且当我们在批量生产中部署该款仪器时,能确信它已成熟。”

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