以CPL天线为W-Fi装置实现无线耦合测试

admin

        悬而未决的产线问题

        使用空中下载(OTA)的无线传输的方式(也称为无线耦合模式)为待测物(DUT)的RF部份进行测试，一直是许多ODM与OEM厂商多年来努力想要达成的目标。事实上，采用与DUT天线直接无线耦合以避免RF实体连接的测试模式已历经多方尝试了，但由于以下种种原因而无法得到令人满意的结果：

        大部份的天线主要依靠电场进行传输，即使DUT的位置些微改变，也会让测试结果出现很大的变化。

        相对于稳定的测试作业，具有多支天线的DUT上各天线之间的交互耦合通常会太强。

        甚至要从整合于PCB的2.4GHz与5GHz小型天线取得高效能也相当具有挑战性，尤其是高度全向性以及效率达60-80%的天线。

         

        然而，这些要求正是进行OTA测试的基本必要条件，透过一款结合CPL天线与测试设备实现的无线耦合测试方案，可望满足所有的要求，在Wi-Fi产品的生产制造过程中实现精确且低成本效益的测试。

         

        CPL天线是一款结合磁圈辐射器与同位电场辐射器的复合式天线。相较于传统天线技术只激励电辐射器或磁辐射器，CPL天线同时激励两种辐射器，大幅提高了性能与辐射效率(达90%)。

         

        OTA/耦合测试概念验证

        为 了验证以CPL天线与生产级测试治具进行OTA测试的概念，DockOn已经使用网络分析仪以及LitePoint IQxel80对数十种DUT进行了大量测试作业。为了避免由于使用不同测试仪器而造成的结果差异，所有的主动测试都采用同一台IQxel80进行量测。 虽然从已有的测试结果中可以得到相当好的关连性，但针对更多待测组件进行重复性测试，可望取得更准确与完整的统计结果。测试的项目包括：

        待测电路裸板测试结果的可重复性，以及在多个不同测试位置的耦合损耗。

        在涵盖2.4-2.5GHz及5-6GHz频段的不同频段进行测试。

        以产品测试脚本为具备完整功能的DUT进行超过25次的量测，以验证结果的可重复性。

        为非指定天线进行交互耦合量测。

        在OTA与传导模式下为DUT进行校正与测试结果比较。

        在近场耦合下的天线特性以及非完美RF连接器影响测试结果。

         

        简单地说，实验数据显示，在2.4-2.5GHz与5-6GHz频段下，针对RF传输校正与验证以及接收时，采用OTA模式的天线性能、设定与匹配度均较采用传导模式时更具有可重复性。

         

        首先，当板间距离为3mm并使用CPL天线时，OTA模式的耦合损耗非常低，在2.4-2.5GHz和5-6GHz频段时的损耗分别低于7.6dB与 12dB。其次，以3mm间距进行耦合时不至于产生失调或感应度降低的现象，在5-6GHz频段的频率响应也具有高线性度。此外，在两组频段的变化范围都 小于+/-0.7dB，实现高精确度。

         

        再者，为相同的DUT重复进行OTA主动测试以验证测试设定，可测得不错的传输功率标 准差结果，而平均脚本测试的整体结果，可得到的数据在2.4GHz及5-6GHz分别为0.21dBm及0.28dBm。最后，比较在OTA及传导模式下 的DUT测试结果，在2.4-2.5GHz频段时十分匹配，二者的平均标准偏差均为0.2dBm；而在5-6GHz频段，OTA及传导模式分别为 0.44dBm及0.63dBm。

         

        验证结果的采样

        以下为验证与比较在OTA与传导模式下所测量的数据结果。

         

       

       
        表1：以十片裸板进行重复测试取得的耦合损耗S21

         

        S 参数的测量可作为OTA测试技术的一种验证方式：以半柔性的电缆线将DUT裸板上的天线Ai及参考裸板上的天线ARj连接至网络分析仪，在考虑缆线损耗的 条件下，测量天线间的无线能量传输。针对多片电路板重复同样的测试时，必须考虑各种不同天线组合的耦合情况，以便验证在FR4 PCB产品上天线性能的稳定度──在i=j时，Ai与ARj之间的低耦合损耗，以及在i≠j时，对Ai与ARj之间交叉耦合抑制。

         

        在此操作程序中也包含确定OTA耦合测试的最小距离以及验证天线在近场范围内的工作性能。表格1中总结了以十片DUT裸板与测试治具上的参考天线进行无线耦 合测试的结果：耦合损耗小于12dB，对于目标频带内的任意频率，十片DUT的平均标准偏差值为小于+/-0.7dB，表现不错的量测结果。

         

       

       
        图3a/3b/3c：以完整测试脚本对一片主动待测电路板进行约30次重复测试

       
        表格2：以一片主动待测电路板进行29次重复传输功率量测(同一量测脚本)

         

        验证完整OTA建置的一项良好指标是为同一DUT重复多次同样的测试脚本(例如30次)。记录每次实验量测到的传输功率最大值与最 小值，，即可绘制成图3a(2.4-2.5GHz)与3b(5-6GHz)，显示不错的量测结果：在所有的量测结果中最坏情况下的Max-Min值在 2.4-2.5Hz时为+/-0.41dBm，而在5-6GHz时则为+/-1.32dBm。另一方面，整体量测的标准偏差平均值在2.4-2.5GHz及 5-6GHz频段分别为0.21dBm与0.28dBm，相较于采用传导模式时通过与否(pass/fail)的业界标准值──在2.4-2.5GHz 为+/-1.5dBm以及在5-6GHz为+/-2.0dBm，OTA测试模式的结果表现更好。

         

        图3的柱状图也显示出一项 以MCS-7高资料率(在80MHz高频信道实现5120MHz工作频率)进行测试的传输功率分布图。相较于判断通过与否的标准范围而言，这个分布范围相 对较窄。以传导模式进行类似的重复性测试(将测试接头断开后后重新接上并重复测量30次)取得传输功率极大值与极小值的最坏结果，在2.4-2.5GHz 与5-6GHz频率时分别为+/-0.37dBm与+/-0.62dBm。当然，这些结果只是对有限数目的样品实验取得的数据结果，后续更多的测试将可以 提供更为准确的统计数据。

         

       
        图4a/4b/4c/4d/4e以完整测试脚本对25片主动DUT进行OTA与传导模式的量测结果比较

       
        表格3：对多于25片DUT测试OTA与传导模式传输功率的结果比较

         

        从图4a及4b可以观察到OTA模式和传导模式的测试结果在2.4-2.5GHz表现出非常好关联性。图4c与4d可观察到在5-6GHz频段中传输功率的 匹配也很好，平均二者的差异小于0.5dB。从第4张图可以观察到OTA测试结果的分布变化情况比传导模式的更好，即使EVM分布范围稍宽，但还是在判断 通过与否的最小范围内。由于第15、17及19次的测试值EVM最高值为-29、-27及-28dB，而与其相对应的三个低数据传输速率为OFDM6或者 MCS0模式，因此并不会造成任何影响。对这三种情况而言，EVM通过与否的判断标准最高值为-5dB，因此，OTA量测结果完全可以通过EVM的要求规 格，两者的值之间还有相当大的空间。

         

        表格3为传输功率结果的总结。值得注意的是，在无线耦合与传导模式的RF 连接二者间的差异可能会影响发射功率放大器(PA)的匹配阻抗，这也就是在前后端出现一些较小偏差的原因。因此，针对发射端的量测作业，无线耦合测试才是 较实际的量测方法，因为在实际的情况下，发射端后面接的就是天线，而在传导模式中天线部份则完全被忽略了。

         

        DockOn的OTA/耦合测试解决方案

        Dockon 的解决方案是使用CPL印刷天线以及一款精确的测试治具，并以DUT裸板作为参考天线耦合器。将参考天线连接到零压力连接器，经由标准SMA电缆接取至 LitePoint的Wi-Fi测试仪器(如IQxel)，使用一台预载测试软件(如IQfact+)的计算机来控制测试仪器与DUT。除了测试治具以及软 体设定以外，不必再为标准RF测试站台进行任何改变。

         

        测试步骤包含二个部份：首先使用一个作为参考的黄金单元(GU)DUT对测试站进行一次性校准。其次，以GU作为参考，校准并测试每一片待测电路板。

         

        测试站的校准步骤：首先，使用GU进行归零校准，为测试脚本的所有频率确定从GU的发射机部份到LitePoint测试设备的校准系数。接着，将所取得的校准系数输入测试软件(仅限1次)，这组系数将用于对后续每件DUT进行OTA测试。

         

        DUT测试步骤：首先将DUT放在OTA耦合装置治具上； 接上电源线与数字网络线，关闭RF屏蔽盒，且无需任何RF联机。接着，以所收集到的校准系数执行LitePoint脚本(RF TX校准、TX/RX验证与EVM)进行量测。在测试结束后，打开RF屏蔽盒并移除DUT。

         

        此外，也可以在产线现场对无线耦合测试装置进行快速动态站校准验证。

         

       
        图5：OTA测试设备的简单方块图。

         

        结语

        OTA测试对于产品测试带来的好处：

        降低剩余材料成本：在PCB上不需要RF连接器或RF切换/连接器，也不需要分离式天线配件(天线、同轴电缆与连接器)。

        更低的维护成本：不必每15,000次工作周期后就为测试设备更换RF接头或电缆。

        提升产线质量：在SMD组装线后不必再手动进行焊接或天线电缆连接。

        灵活的测试台和设备：更方便地改变指定测试站的待测产品。

        加速并简化生产测试以及经验证的解决方案。

        整合的无线耦合解决方案：RF TX校准、RF TX/RX验证，以及数据吞吐量的验证。

        无线数据传输速率测试成为测试选项: 产线测试的最终目标在于确定每个组件的正确焊接，这个部份－包括天线的测试－已经能够透过OTA 测试来完成了，因此，后续的无线数据传输速率测试可望成为一种选择而非必要的测试。

         

        如何在WiFi生产过程中进行耦合测试

        该解决方案是以利用DockOn的CPL天线技术为基础。DockOn的CPL天线特别适合于OTA/耦合测试：

         由于磁场组件强大及宽带的特性，在短距离具有强大的耦合效果。

         在近场中对失调与频率漂移的适应能力。

         采用经验证且稳定的单层板技术。

         在一般的FR4印刷电路板材可以有很高的辐射效率。

         

        因此，当产品中采用了DockOn的CPL天线设计，就可以在生产过程中采用OTA/耦合测试技术，以优化的测试设置协助制造商提升产量。