5G时代，多端口器件测试面临哪些挑战？

随着5G来临，元器件开始朝更多端口、更集成化、更高复杂度的方向发展。

从器件方面来看，2G/3G时代，手机背板基本贴的是单个元器件，包括滤波器、功放、双工器。到5G时代，要求器件的尺寸越来越小，集成化就成了新趋势，比如射频前端模块，就是将天线开关、放大器、双工器、滤波器等集成在一起。

从天线方面来看，2G时代，手机基本使用单端口天线。到5G时代，毫米波频段的引用，使得射频信号空间损耗非常大，为了改善这种状况，开始采用MIMO阵列天线，就会有很多端口。MIMO（Multiple-InputMultiple-Output），指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。

图：元器件朝更多端口、更集成化方向发展

同时，更多端口、更集成化、更高复杂度的器件，给测试带来了诸多挑战，在10月17日的是德科技测试技术研讨会上，是德科技Application Engineer LiMeng分享了5G时代多端口器件测试存在的问题及解决方案。

多端口器件测试面临诸多挑战

1.测试的参数越来越多。比如滤波器测试，过去只需测S参数（也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数）。现在，因为集成化趋势，需要测的可能就是FEMiD，与双工器集成的前段模块，除了S参数之外，还需要测增益压缩、三阶交调、噪声系数等。

再比如高速互连线测试，如果是一个差分线，只需测插损或阻抗，而现在随着传输速度增高、通道数增多，除了测阻抗、插损之外，还需要测延时、串扰（包括近串、远串等），可见测量参数急剧增加。

2.测试指标要求高。因为多端口测试量很大，所以需要测试效率必须很高。如果测试量急剧增多，而测试效率却跟原来一样的话，就需要非常长的时间才能完成整个器件的测试。

3.精度高、系统稳定性好。多端口的器件对于测试系统来说，提出了非常高的要求，如果希望测试出来的结果精度高，稳定性好，就需要测试效率更高的测试系统。

面对多端口器件测试，面前市面上有两大比较传统的测试方案，一是用2端口或者4端口网络分析仪多次测量，二是基于基于网络分析仪和开关矩阵的多端口测试系统，其中前者使用较少，后者较为常见，这两大测试方案各有优缺点。

传统测试方案缺点显著

用2端口或者4端口网络分析仪多次测量，此方案的优点在于，测试方法非常简单，仪表成本低。缺点很多，一是测试时间很长，Li Meng介绍到，是德科技做过一个实验，让对仪表操作非常熟练的工程师，对14端口的器件进行全参数测试，需要50分钟，这对于产线和研发来说，耗时太长；二是测试过程非常复杂，用2端口网络分析仪对N端口器件进行测试，需要将N个端口器件，两两间都要组合测量，即需要测量N（N-1）/2次；三是为了避免串扰，在测量这两个端口参数的时候，其他端口还需要连上负载。

基于网络分析仪和开关矩阵的多端口测试系统，此方案是用两端口的网络分析仪，测N端口的器件，在网络分析仪和器件之间，搭建一个开关矩阵，这样就可以将网络分析仪的两个端口通过开关切到N个端口，测试的时候，只需把测试座N个端口与被测物连起来。

优点在于，可一次连接所有端口，无需改变连接，并且对动态范围和精度要求不高的情况，具有较低的成本。缺点也很多，一是系统动态范围下降；二是系统精度和稳定性不高；三是测试速度一般，加了开关箱之后，测试一个14端口器件需要12分钟，虽然相较于方案一来说，时间虽然缩短很多，但是对于研发和产线来说，还是过长。

什么是系统动态范围？系统动态范围指的是网络分析仪端口最大输出功率和端口噪底的差，系统指标通常在10HzIFBW（中频带宽）下定义，IFBW每提高10倍，动态范围减少10dB。比如，若端口最大输出5dBm，燥底为-115dBm，则系统动态范围为120dB（1FBW=10Hz），当1FBW=1kHz时，动态范围为100dB。

加开关箱之后，系统动态范围会受影响。一、开关矩阵内部插损会降低动态范围，因为开关箱有插损，比如一个网络分析仪，原本可以输出10dBm的信号，经过开关箱，受插损影响之后，到达被测物的功率就会变小，不再是10dB；二、开关隔离度会限制系统动态范围；三是为了达到同样的动态范围，需要设置更小的IFBW（中频带宽），测试速度就会变慢。

加开关箱之后，系统温度稳定性和精度不高。首先看温度稳定性，对于网络分析仪来说，温度稳定性是一个非常重要的指标，什么是温度稳定性？简单点说，就是这个时刻测的结果，和两个小时之后测的结果不一样，这就是稳定性不好，即存在温漂。LiMeng指出，网络分析仪内部是由各种有源器件组成的，整套网络分析仪系统在出场的时候，会给一个温度稳定性指标，一般这个温度稳定性的温漂非常小，而加开关箱之后，温度稳定性的温漂就很明显，即同一个被测物，现在测的结果和两个小时之后测的结果相差非常大。再来看系统的精度，因为在网分和被测物之间，接入了一段电路，即开关箱，系统原始性能（匹配、方向性）就会变差，从而导致精度变差。

虽然开关矩阵的这些误差能够通过校准消除掉，但是过程极其复杂，分两种情况，如果网分和开关矩阵由同一厂家提供，并支持多端口校准，如Keysight PNA+多端口测试座，则校准测量过程较为简单。而多数情况下，开关矩阵校准测量复杂、耗时，需要编程控制，比如校准时，需要切到两个端口校准，保存校准数据，再切到下面个端口校准，保存校准数据，并且需要重复N（N-1)/2次，测量完成后，还需要切到两个端口，调用校准测量，再切到下两个端口，调用校准测量。

加开关箱之后，对整套系统测试速度有影响。上文提到，只用一个两端口的网分，测一个14端口的器件，需要50分钟，加开关箱之后，测量速度下降到12分钟，虽然时长大幅下降，但是节省下来的并不是系统处理数据的时间，而是手动拧动连接的时间。而处理数据的能力其实还是依赖于网分，比如两端口的网分，加了一个多端口的开关箱，但实际上网分的接收通路还是网分的两条通路。

网络分析仪有一个影响测试速度的重要参数，叫仪表的扫描次数，Li Meng表示，只有通过网络分析仪增加处理数据能力的接收机，才能提高处理数据的速度。比如要处理一个8端口的器件，2端口的网分+开关箱，需要56次扫描；4端口的网分+开关箱，需要24次扫描；真正意义8端口网分，需要8次扫描，也就是真正意义8端口网分，8次扫描就可以把所有的参数取下来。

可见，加开关箱之后，虽然硬件的通道数可以达到，而这对整套系统的测试精度、温度稳定性、动态范围、测速速度、校准的复杂度等都会带来不好的影响。

因此，对多端口的器件的测试来说，只有具有真正意义的多端口接收机的网络分析仪才能提供最好的系统性能。

是德科技多端口网络分析仪

为了适应5G时代，多端口器件的测试需求，是德科技于今年5月份推出了最新的网络分析仪M980xA系列，就是一款真正意义的多端口网络分析仪，网络分析仪有四个非常重要的参数，动态范围、扫描时间、轨迹噪声和温度稳定性，M980xA系列在这四个参数的表现上都非常出色。

图：是德科技多端口网络分析仪M980xA系列特性

相较于传统测量方案，该系列多端口网络分析仪可以帮助客户解决多方面的问：一、简化测试系统，加快对测试系统的重新配置和校准；二、减少测试系统中的部件数量，最大限度地减少维护和停机成本；三、简单、方便地自动完成设置，加快测试速度，提高测试吞吐量；四、避免使用额外连接和外部开关时所带来的损耗，提高测试精度；五、定制硬件，轻松适应未来的测试要求。

并且，该款新型网络分析仪包含多种测量应用软件，如自动夹具移除、时域分析、基础脉冲射频测量、标量混频器/变频器测量、增益压缩测量、频谱分析等。

图：M980xA系列网络分析仪应用范围

此外，该系列多端口网络分析仪具有很高的自由度和灵活性，可以通过将多个测试接口进行连接，实现更多多口的器件测试，并且操作界面非常简单，只要点击选择需要使用的部分即可。

图：新型多端口网络分析仪操作界面

总结

相对于4G来说，5G时代在很多方面都发生了变化，这些变化意味着相关技术要面临一场全面的革新，比如测试技术，5G时代需要更高综合度和灵活性的测试解决方案，用于应对器件集成化等各方面带来的测试挑战，这些挑战同时也成了测试企业赢得市场的重要机会。