RF模塊帶來(lái)了嚴(yán)峻的測(cè)試挑戰(zhàn)

無(wú)線通信設(shè)備的激增創(chuàng)造了對(duì)這些設(shè)備所用RF元件與模塊的驚人需求。當(dāng)然，元件必須足夠小，能舒服地裝入采用它們的移動(dòng)無(wú)線消費(fèi)產(chǎn)品中，而且不會(huì)擠占MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)等輔助功能。由于消費(fèi)產(chǎn)品不斷支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)，微型器件本身必須集成一些必需的功能，以實(shí)現(xiàn)WiFi、WiMAX、藍(lán)牙、GPS、DVB-H、UWB，以及各種多頻段蜂窩技術(shù)。

在數(shù)字電路方面，摩爾定律促使供應(yīng)商們?cè)趩蝹€(gè)CMOS集成電路中提供更多功能方面突飛猛進(jìn)。不過(guò)，無(wú)線部分需要大量其他有源無(wú)源元件，以及基帶數(shù)字芯片、功率放大器、開(kāi)關(guān)，和低噪聲放大器。分立式無(wú)源元件不遵循摩爾定律，不滿足持續(xù)的微型化要求。EPCOS副總裁兼SAW部CTO Christian Block在2004年的一次訪談中解釋了這個(gè)問(wèn)題及其解決方案(參考文獻(xiàn)1)。他說(shuō)：“重要的進(jìn)展不再來(lái)自于分立式無(wú)源元件的持續(xù)小型化。因此我們選擇了基于LTCC技術(shù)的無(wú)源集成。”

LTCC推動(dòng)微型化

“LTCC”是指低溫共燒陶瓷技術(shù)，EPCOS用它來(lái)建立多層陶瓷襯底，用于嵌入無(wú)源元件。與FR4材料或?qū)訅翰牧舷啾龋琇TCC襯底的損耗更低，能在緊湊空間內(nèi)集成很多無(wú)源元件(參考文獻(xiàn)2)。

EPCOS模塊產(chǎn)品開(kāi)發(fā)總監(jiān)Patric Heide博士表示，一個(gè)LTCC模塊可能有10到20層，每層厚度在30到50微米之間。EPCOS可以在這些層之間建立電感與電容，實(shí)現(xiàn)濾波器功能和平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)。Heide博士解釋說(shuō)，為了幫助推進(jìn)微型化，這些模塊還裝入了一些半導(dǎo)體芯片，如通常采用GaAs技術(shù)的功率放大器和開(kāi)關(guān)。他說(shuō)：“我們?cè)诩蛇@些有源GaAs器件與LTCC結(jié)構(gòu)方面獲得了很多知識(shí)，并且充分利用了我們?cè)诘寡b芯片和引線接合方面的經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)中的制造成品率。”

他繼續(xù)說(shuō)，高水平集成的結(jié)果是“我們向客戶交付了采用單個(gè)封裝、經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的RF系統(tǒng)。在手機(jī)中，一側(cè)是基于CMOS的射頻IC，另一側(cè)是天線。我們提供一個(gè)介于兩者之間的全功能前端模塊。”

一個(gè)實(shí)例是2008年1月份推出的微型全合一前端模塊，可用于藍(lán)牙和IEEE 802.11b/g/n WLAN應(yīng)用。該模塊集成了一個(gè)WLAN功率放大器、一個(gè)WLAN/藍(lán)牙開(kāi)關(guān)、一個(gè)接收平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，以及偏置電路和針對(duì)所有RF及DC端口的ESD(靜電放電)保護(hù)，其插入高度只有1.4 mm，僅占用電路板4.5×3.2 mm²的空間。D6101還帶有一個(gè)共存濾波器，符合全球所有蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的WLAN及藍(lán)牙應(yīng)用可以同時(shí)工作。

多端口測(cè)試挑戰(zhàn)

在我參觀EPCOS總部期間，Heide博士和他的同事們概略描述了測(cè)試這些模塊時(shí)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。Jörg Schuler博士在EPCOS SAW部負(fù)責(zé)制造工程與測(cè)試策略，他談到了測(cè)試多RF端口高集成度微型封裝所需的復(fù)雜性：“對(duì)于一個(gè)GSM四頻WCDMA三頻模塊，必須測(cè)試四個(gè)GSM平衡端口、兩個(gè)Tx端口、三個(gè)寬帶CDMA端口，還有一個(gè)天線。在最終測(cè)試階段需要同時(shí)測(cè)試14個(gè)端口。”(每個(gè)平衡GSM端口都包括一個(gè)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，它有兩個(gè)連接到測(cè)試系統(tǒng)的端口)。他表示，重要的規(guī)范包括高動(dòng)態(tài)范圍和良好的阻帶性能，“因此你的測(cè)試系統(tǒng)需要提供盡可能低的損耗。”

Schuler博士稱，EPCOS使用的早期測(cè)試系統(tǒng)包括一個(gè)雙端口VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)和12端口矩陣。他補(bǔ)充說(shuō)，EPCOS早期與Rohde & Schwarz討論過(guò)測(cè)試設(shè)備的需求，最終使用了一臺(tái)8端口R&S ZVT VNA，它支持高達(dá)20 GHz的測(cè)試覆蓋范圍，帶有一個(gè)10端口矩陣。他說(shuō)，這種組合的結(jié)果是連接到待測(cè)單元上的開(kāi)關(guān)數(shù)較少，因此大幅度降低了損耗，增加了動(dòng)態(tài)范圍，并提供更準(zhǔn)確的測(cè)量。

Schuler博士表示，重要的還有快速的校準(zhǔn)時(shí)間，使校準(zhǔn)工作更便于在現(xiàn)場(chǎng)完成。他說(shuō)：“我們今天使用的是一個(gè)16端口校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，它能夠一次自動(dòng)校準(zhǔn)16個(gè)端口，只要將測(cè)試設(shè)備連接到標(biāo)準(zhǔn)版CAL，啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)程序就行了。這對(duì)批量生產(chǎn)非常實(shí)用。”他補(bǔ)充說(shuō)，對(duì)EPCOS位于中國(guó)無(wú)錫的制造廠，自動(dòng)校準(zhǔn)尤其重要，他解釋說(shuō)，使用彩色編碼的電纜和連接器，操作員可以快速地完成所需連接，然后按下一個(gè)鍵。

保持短的測(cè)試時(shí)間

Schuler博士稱，盡管集成度在不斷增加，模塊中包含了需要作非線性測(cè)量的有源元件，但仍要保持短的測(cè)試時(shí)間。他補(bǔ)充說(shuō)，ACPR(鄰道功率比)、諧波和其他參數(shù)的測(cè)量都可以采用信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀的組合，但對(duì)于三、四個(gè)功率級(jí)的全面特性描述，這種測(cè)量需要較長(zhǎng)的時(shí)間。Schuler博士稱，與之相比，VNA可以快速測(cè)出增益、1 dB壓縮點(diǎn)和諧波，而“縮短測(cè)試時(shí)間意味著我們成本的降低。”

Heide博士描述了高集成度LTCC前端模塊所帶來(lái)的特殊測(cè)試挑戰(zhàn)，該模塊也包含功率放大器這類有源元件。他說(shuō)，對(duì)這些模塊的測(cè)試涉及陶瓷自身內(nèi)部濾波器功能的小信號(hào)測(cè)量，以及對(duì)模塊封裝中嵌入放大器功能的大信號(hào)特性描述。具體的測(cè)試隨應(yīng)用而變化，但一般包括的步驟有S參數(shù)測(cè)量與諧波測(cè)量，后者用于確保符合對(duì)雜散輻射的監(jiān)管要求。

圖1表示W(wǎng)LAN和WiMAX模塊需要的測(cè)試步驟。Heide博士稱，IEEE 802.11和802.16設(shè)備的一個(gè)主要要求是工作在OFDM(正交頻分復(fù)用)格式下的發(fā)射器線性度。他補(bǔ)充說(shuō)，EVM(誤差矢量幅度)是線性度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)待開(kāi)發(fā)模塊的全面特性描述，EPCOS工程實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)采用基于PC的自動(dòng)測(cè)試臺(tái)，它帶有一臺(tái)R&S ZVA24 VNA、一個(gè)定制的多端口測(cè)試集、一臺(tái)R&S FSQ26矢量信號(hào)分析儀，以及一臺(tái)R&S SMJ100矢量信號(hào)發(fā)生器。

Heide博士解釋說(shuō)，耗時(shí)的測(cè)試過(guò)程不適用于批量生產(chǎn)。“我們不能接受一個(gè)花費(fèi)半分鐘或一分鐘的測(cè)試。我們需要在幾秒鐘內(nèi)完成測(cè)試。”

用抽樣測(cè)試加快生產(chǎn)過(guò)程也不可取。Schuler博士說(shuō)：“我們對(duì)每件離開(kāi)工廠的產(chǎn)品都要作全面的特性測(cè)試。”他補(bǔ)充說(shuō)EPCOS希望做到在開(kāi)始一個(gè)新模塊的生產(chǎn)時(shí)，測(cè)試程序調(diào)整需求的最小化。“我們的方案永遠(yuǎn)是將與實(shí)驗(yàn)室相同的測(cè)試設(shè)置用于生產(chǎn)線的測(cè)試環(huán)境。”

Heide博士說(shuō)，EPCOS最近開(kāi)發(fā)了一種組合模塊(圖2)，它在一個(gè)單元內(nèi)支持全球所有的WiFi和WiMAX標(biāo)準(zhǔn)(2.5 GHz WiFi、2.5 GHz WiMAX、3.5 GHz WiMAX和5.5 GHz WiFi)。他說(shuō)，這種三頻段模塊以四種模式工作，WiFi和WiMAX共享2.5 GHz頻段，而3.5 GHz頻段只支持WiMAX，5.5 GHz頻段只支持WiFi。

該模塊有六個(gè)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器、三個(gè)發(fā)射濾波器、三個(gè)接收濾波器，以及三個(gè)諧波濾波器。Heide博士說(shuō)：“有很多濾波器需要作特性分析。”該器件還包含三個(gè)功率放大器芯片和一個(gè)SP4T開(kāi)關(guān)。其架構(gòu)包括三個(gè)平衡發(fā)射和三個(gè)平衡接收路徑，以及一個(gè)天線端口。因此，就有13個(gè)RF端口要進(jìn)行測(cè)試，這是R&S ZVT VNA的任務(wù)。

集成軟件

當(dāng)然，單靠多端口RF測(cè)量能力并不足以開(kāi)發(fā)出一個(gè)有效的測(cè)試策略。軟件扮演著一個(gè)重要的角色，它既可控制儀器和處理程序，也可獲取和分析數(shù)據(jù)，目標(biāo)是統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制。為此，得到Rohde & Schwarz公司工程師支持的EPCOS工程師正致力于EPCOS專用測(cè)試軟件與Rohde & Schwarz VNA軟件的集成。Schuler博士解釋說(shuō)：“對(duì)我們最大的好處是，我們擁有了一個(gè)可控制VNA和切換矩陣的單一軟件界面。”

盡管重點(diǎn)是Rohde & Schwarz的儀器，EPCOS工程師們的實(shí)驗(yàn)室中也確有來(lái)自其他測(cè)量設(shè)備供應(yīng)商的儀器。Heide博士說(shuō)這種額外設(shè)備使EPCOS工程師確保測(cè)試結(jié)果的完全兼容和再現(xiàn)性，例如為EPCOS客戶或參考設(shè)計(jì)伙伴完成的特殊測(cè)量。這些測(cè)量有時(shí)會(huì)用到多家供應(yīng)商儀器生成的很特殊的數(shù)字調(diào)制方法。

不過(guò)，EPCOS很重視與Rohde & Schwarz建立的工作模型。Schuler博士說(shuō)：“沒(méi)有本地的支持，與測(cè)試設(shè)備制造商的合作可能很難”，他接著說(shuō)，預(yù)測(cè)今后3到5年需要的功能不是件容易的事。他繼續(xù)說(shuō)，“重要的是交互合作，充分利用測(cè)試設(shè)備的能力，”因?yàn)橐獙⑺袦y(cè)量難題湊在一起，需要儀器供應(yīng)商與客戶之間的持續(xù)對(duì)話。

Schuler還說(shuō)，通過(guò)與Rohde & Schwarz公司客戶支持的密切合作，EPCOS還有機(jī)會(huì)使用還沒(méi)有上市的產(chǎn)品。“這使我們有機(jī)會(huì)提供很多反饋，并且當(dāng)我們?cè)谂可a(chǎn)中部署該款儀器時(shí)，能確信它已成熟。”