以CPL天線為W-Fi裝置實(shí)現(xiàn)無線耦合測試

　　懸而未決的產(chǎn)線問題

　　使用空中下載(OTA)的無線傳輸?shù)姆绞?也稱為無線耦合模式)為待測物(DUT)的RF部份進(jìn)行測試，一直是許多ODM與OEM廠商多年來努力想要達(dá)成的目標(biāo)。事實(shí)上，采用與DUT天線直接無線耦合以避免RF實(shí)體連接的測試模式已歷經(jīng)多方嘗試了，但由于以下種種原因而無法得到令人滿意的結(jié)果：

　　?大部份的天線主要依靠電場進(jìn)行傳輸，即使DUT的位置些微改變，也會(huì)讓測試結(jié)果出現(xiàn)很大的變化。

　　?相對(duì)于穩(wěn)定的測試作業(yè)，具有多支天線的DUT上各天線之間的交互耦合通常會(huì)太強(qiáng)。

　　?甚至要從整合于PCB的2.4GHz與5GHz小型天線取得高效能也相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，尤其是高度全向性以及效率達(dá)60-80%的天線。

　　然而，這些要求正是進(jìn)行OTA測試的基本必要條件，透過一款結(jié)合CPL天線與測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)的無線耦合測試方案，可望滿足所有的要求，在Wi-Fi產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中實(shí)現(xiàn)精確且低成本效益的測試。

　　CPL天線是一款結(jié)合磁圈輻射器與同位電場輻射器的復(fù)合式天線。相較于傳統(tǒng)天線技術(shù)只激勵(lì)電輻射器或磁輻射器，CPL天線同時(shí)激勵(lì)兩種輻射器，大幅提高了性能與輻射效率(達(dá)90%)。

　　OTA/耦合測試概念驗(yàn)證

　　為 了驗(yàn)證以CPL天線與生產(chǎn)級(jí)測試治具進(jìn)行OTA測試的概念，DockOn已經(jīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀以及LitePoint IQxel80對(duì)數(shù)十種DUT進(jìn)行了大量測試作業(yè)。為了避免由于使用不同測試儀器而造成的結(jié)果差異，所有的主動(dòng)測試都采用同一臺(tái)IQxel80進(jìn)行量測。 雖然從已有的測試結(jié)果中可以得到相當(dāng)好的關(guān)連性，但針對(duì)更多待測組件進(jìn)行重復(fù)性測試，可望取得更準(zhǔn)確與完整的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。測試的項(xiàng)目包括：

　　?待測電路裸板測試結(jié)果的可重復(fù)性，以及在多個(gè)不同測試位置的耦合損耗。

　　?在涵蓋2.4-2.5GHz及5-6GHz頻段的不同頻段進(jìn)行測試。

　　?以產(chǎn)品測試腳本為具備完整功能的DUT進(jìn)行超過25次的量測，以驗(yàn)證結(jié)果的可重復(fù)性。

　　?為非指定天線進(jìn)行交互耦合量測。

　　?在OTA與傳導(dǎo)模式下為DUT進(jìn)行校正與測試結(jié)果比較。

　　?在近場耦合下的天線特性以及非完美RF連接器影響測試結(jié)果。

　　簡單地說，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在2.4-2.5GHz與5-6GHz頻段下，針對(duì)RF傳輸校正與驗(yàn)證以及接收時(shí)，采用OTA模式的天線性能、設(shè)定與匹配度均較采用傳導(dǎo)模式時(shí)更具有可重復(fù)性。

　　首先，當(dāng)板間距離為3mm并使用CPL天線時(shí)，OTA模式的耦合損耗非常低，在2.4-2.5GHz和5-6GHz頻段時(shí)的損耗分別低于7.6dB與 12dB。其次，以3mm間距進(jìn)行耦合時(shí)不至于產(chǎn)生失調(diào)或感應(yīng)度降低的現(xiàn)象，在5-6GHz頻段的頻率響應(yīng)也具有高線性度。此外，在兩組頻段的變化范圍都 小于+/-0.7dB，實(shí)現(xiàn)高精確度。

　　再者，為相同的DUT重復(fù)進(jìn)行OTA主動(dòng)測試以驗(yàn)證測試設(shè)定，可測得不錯(cuò)的傳輸功率標(biāo) 準(zhǔn)差結(jié)果，而平均腳本測試的整體結(jié)果，可得到的數(shù)據(jù)在2.4GHz及5-6GHz分別為0.21dBm及0.28dBm。最后，比較在OTA及傳導(dǎo)模式下 的DUT測試結(jié)果，在2.4-2.5GHz頻段時(shí)十分匹配，二者的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差均為0.2dBm;而在5-6GHz頻段，OTA及傳導(dǎo)模式分別為 0.44dBm及0.63dBm。

　　驗(yàn)證結(jié)果的采樣

　　以下為驗(yàn)證與比較在OTA與傳導(dǎo)模式下所測量的數(shù)據(jù)結(jié)果。

　　表1：以十片裸板進(jìn)行重復(fù)測試取得的耦合損耗S21

　　S 參數(shù)的測量可作為OTA測試技術(shù)的一種驗(yàn)證方式：以半柔性的電纜線將DUT裸板上的天線Ai及參考裸板上的天線ARj連接至網(wǎng)絡(luò)分析儀，在考慮纜線損耗的 條件下，測量天線間的無線能量傳輸。針對(duì)多片電路板重復(fù)同樣的測試時(shí)，必須考慮各種不同天線組合的耦合情況，以便驗(yàn)證在FR4 PCB產(chǎn)品上天線性能的穩(wěn)定度──在i=j時(shí)，Ai與ARj之間的低耦合損耗，以及在i≠j時(shí)，對(duì)Ai與ARj之間交叉耦合抑制。

　　在此操作程序中也包含確定OTA耦合測試的最小距離以及驗(yàn)證天線在近場范圍內(nèi)的工作性能。表格1中總結(jié)了以十片DUT裸板與測試治具上的參考天線進(jìn)行無線耦 合測試的結(jié)果：耦合損耗小于12dB，對(duì)于目標(biāo)頻帶內(nèi)的任意頻率，十片DUT的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差值為小于+/-0.7dB，表現(xiàn)不錯(cuò)的量測結(jié)果。

　　圖3a/3b/3c：以完整測試腳本對(duì)一片主動(dòng)待測電路板進(jìn)行約30次重復(fù)測試

　　表格2：以一片主動(dòng)待測電路板進(jìn)行29次重復(fù)傳輸功率量測(同一量測腳本)　　驗(yàn)證完整OTA建置的一項(xiàng)良好指標(biāo)是為同一DUT重復(fù)多次同樣的測試腳本(例如30次)。記錄每次實(shí)驗(yàn)量測到的傳輸功率最大值與最 小值，，即可繪制成圖3a(2.4-2.5GHz)與3b(5-6GHz)，顯示不錯(cuò)的量測結(jié)果：在所有的量測結(jié)果中最壞情況下的Max-Min值在 2.4-2.5Hz時(shí)為+/-0.41dBm，而在5-6GHz時(shí)則為+/-1.32dBm。另一方面，整體量測的標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值在2.4-2.5GHz及 5-6GHz頻段分別為0.21dBm與0.28dBm，相較于采用傳導(dǎo)模式時(shí)通過與否(pass/fail)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)值──在2.4-2.5GHz 為+/-1.5dBm以及在5-6GHz為+/-2.0dBm，OTA測試模式的結(jié)果表現(xiàn)更好。

　　圖3的柱狀圖也顯示出一項(xiàng) 以MCS-7高資料率(在80MHz高頻信道實(shí)現(xiàn)5120MHz工作頻率)進(jìn)行測試的傳輸功率分布圖。相較于判斷通過與否的標(biāo)準(zhǔn)范圍而言，這個(gè)分布范圍相 對(duì)較窄。以傳導(dǎo)模式進(jìn)行類似的重復(fù)性測試(將測試接頭斷開后后重新接上并重復(fù)測量30次)取得傳輸功率極大值與極小值的最壞結(jié)果，在2.4-2.5GHz 與5-6GHz頻率時(shí)分別為+/-0.37dBm與+/-0.62dBm。當(dāng)然，這些結(jié)果只是對(duì)有限數(shù)目的樣品實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)結(jié)果，后續(xù)更多的測試將可以 提供更為準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

　　圖4a/4b/4c/4d/4e以完整測試腳本對(duì)25片主動(dòng)DUT進(jìn)行OTA與傳導(dǎo)模式的量測結(jié)果比較

　　表格3：對(duì)多于25片DUT測試OTA與傳導(dǎo)模式傳輸功率的結(jié)果比較

　　從圖4a及4b可以觀察到OTA模式和傳導(dǎo)模式的測試結(jié)果在2.4-2.5GHz表現(xiàn)出非常好關(guān)聯(lián)性。圖4c與4d可觀察到在5-6GHz頻段中傳輸功率的 匹配也很好，平均二者的差異小于0.5dB。從第4張圖可以觀察到OTA測試結(jié)果的分布變化情況比傳導(dǎo)模式的更好，即使EVM分布范圍稍寬，但還是在判斷 通過與否的最小范圍內(nèi)。由于第15、17及19次的測試值EVM最高值為-29、-27及-28dB，而與其相對(duì)應(yīng)的三個(gè)低數(shù)據(jù)傳輸速率為OFDM6或者 MCS0模式，因此并不會(huì)造成任何影響。對(duì)這三種情況而言，EVM通過與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)最高值為-5dB，因此，OTA量測結(jié)果完全可以通過EVM的要求規(guī) 格，兩者的值之間還有相當(dāng)大的空間。

　　表格3為傳輸功率結(jié)果的總結(jié)。值得注意的是，在無線耦合與傳導(dǎo)模式的RF 連接二者間的差異可能會(huì)影響發(fā)射功率放大器(PA)的匹配阻抗，這也就是在前后端出現(xiàn)一些較小偏差的原因。因此，針對(duì)發(fā)射端的量測作業(yè)，無線耦合測試才是 較實(shí)際的量測方法，因?yàn)樵趯?shí)際的情況下，發(fā)射端后面接的就是天線，而在傳導(dǎo)模式中天線部份則完全被忽略了。

　　DockOn的OTA/耦合測試解決方案

　　Dockon 的解決方案是使用CPL印刷天線以及一款精確的測試治具，并以DUT裸板作為參考天線耦合器。將參考天線連接到零壓力連接器，經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)SMA電纜接取至 LitePoint的Wi-Fi測試儀器(如IQxel)，使用一臺(tái)預(yù)載測試軟件(如IQfact+)的計(jì)算機(jī)來控制測試儀器與DUT。除了測試治具以及軟 體設(shè)定以外，不必再為標(biāo)準(zhǔn)RF測試站臺(tái)進(jìn)行任何改變。

　　?測試步驟包含二個(gè)部份：首先使用一個(gè)作為參考的黃金單元(GU)DUT對(duì)測試站進(jìn)行一次性校準(zhǔn)。其次，以GU作為參考，校準(zhǔn)并測試每一片待測電路板。

　　?測試站的校準(zhǔn)步驟：首先，使用GU進(jìn)行歸零校準(zhǔn)，為測試腳本的所有頻率確定從GU的發(fā)射機(jī)部份到LitePoint測試設(shè)備的校準(zhǔn)系數(shù)。接著，將所取得的校準(zhǔn)系數(shù)輸入測試軟件(僅限1次)，這組系數(shù)將用于對(duì)后續(xù)每件DUT進(jìn)行OTA測試。

　　?DUT測試步驟：首先將DUT放在OTA耦合裝置治具上; 接上電源線與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)線，關(guān)閉RF屏蔽盒，且無需任何RF聯(lián)機(jī)。接著，以所收集到的校準(zhǔn)系數(shù)執(zhí)行LitePoint腳本(RF TX校準(zhǔn)、TX/RX驗(yàn)證與EVM)進(jìn)行量測。在測試結(jié)束后，打開RF屏蔽盒并移除DUT。

　　此外，也可以在產(chǎn)線現(xiàn)場對(duì)無線耦合測試裝置進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)站校準(zhǔn)驗(yàn)證。

　　圖5：OTA測試設(shè)備的簡單方塊圖。

　　結(jié)語

　　OTA測試對(duì)于產(chǎn)品測試帶來的好處：

　　?降低剩余材料成本：在PCB上不需要RF連接器或RF切換/連接器，也不需要分離式天線配件(天線、同軸電纜與連接器)。

　　?更低的維護(hù)成本：不必每15,000次工作周期后就為測試設(shè)備更換RF接頭或電纜。

　　?提升產(chǎn)線質(zhì)量：在SMD組裝線后不必再手動(dòng)進(jìn)行焊接或天線電纜連接。

　　?靈活的測試臺(tái)和設(shè)備：更方便地改變指定測試站的待測產(chǎn)品。

　　?加速并簡化生產(chǎn)測試以及經(jīng)驗(yàn)證的解決方案。

　　?整合的無線耦合解決方案：RF TX校準(zhǔn)、RF TX/RX驗(yàn)證，以及數(shù)據(jù)吞吐量的驗(yàn)證。

　　?無線數(shù)據(jù)傳輸速率測試成為測試選項(xiàng): 產(chǎn)線測試的最終目標(biāo)在于確定每個(gè)組件的正確焊接，這個(gè)部份-包括天線的測試-已經(jīng)能夠透過OTA 測試來完成了，因此，后續(xù)的無線數(shù)據(jù)傳輸速率測試可望成為一種選擇而非必要的測試。

　　如何在WiFi生產(chǎn)過程中進(jìn)行耦合測試

　　該解決方案是以利用DockOn的CPL天線技術(shù)為基礎(chǔ)。DockOn的CPL天線特別適合于OTA/耦合測試：

　　? 由于磁場組件強(qiáng)大及寬帶的特性，在短距離具有強(qiáng)大的耦合效果。

　　? 在近場中對(duì)失調(diào)與頻率漂移的適應(yīng)能力。

　　? 采用經(jīng)驗(yàn)證且穩(wěn)定的單層板技術(shù)。

? 在一般的FR4印