頻譜的鴻溝：射頻測試從傳導確定性到 OTA 空間驗證的典範轉移

現代無線通訊技術的發展，正沿著兩條截然不同的物理軌跡並行推進，一條是根基深厚、覆蓋廣泛的 Sub-6 GHz（6 GHz 以下）頻段；另一條則是承載著未來極致容量與速度願景的毫米波 (mmWave) 頻段；這種雙軌並行不僅是頻率數字上的差異，其背後更隱含著由基本物理定律所主導的、對射頻 (RF) 測試哲學的根本性重塑。

從 Sub-6 GHz 遷移至毫米波，射頻測試的方法論經歷了一場深刻的演進，這場演進並非出於主觀選擇，而是源於高頻物理特性所帶來的必然結果，測試的焦點，已從可預測的「電氣連接」轉向了複雜的「空間輻射」驗證。

Sub-6 GHz 時代：傳導測試的確定性

在 6 GHz 以下的頻段，電磁波展現出相對「友善」的物理特性，這包括了較低的大氣衰減、強大的建築穿透能力，以及良好的繞射特性（即訊號能有效「繞過」障礙物），數十年來，從 2G 到 4G LTE，乃至 5G 的早期部署，都深度依賴這些特性來實現廣域、可靠的行動覆蓋。

傳導測試的物理基礎

在 Sub-6 GHz 的系統設計中，天線單元與射頻收發晶片（Transceiver）通常是分離的實體，它們透過電路板 (PCB) 上的傳輸線（Trace）或短距離同軸纜線相連，這種分離式架構，為射頻測試提供了一個關鍵的「介面」——一個標準化的 50 歐姆物理連接埠（例如 SMA 或 U.FL 接頭）。

傳導測試 (Conducted Test) 的概念應運而生，透過 RF 纜線，待測物 (DUT) 的天線埠被直接連接到測試儀器（如頻譜分析儀、向量訊號分析儀等），這種方法建立了一個封閉、受控的測試環境。

隔離、穩定與可重複的優勢

傳導測試的核心優勢在於其高度的「確定性」：

1. 環境隔離 (Isolation)： 高品質的同軸電纜本身就是一個完美的電磁屏蔽體，DUT 的訊號在一個完全封閉的路徑中傳輸到儀器，徹底排除了外界環境中無處不在的干擾源——無論是公共 Wi-Fi、廣播電視訊號，還是其他無線設備的輻射。儀器所捕捉到的，是 DUT 最純淨的原始電氣性能。
   

2. 穩定的可重複性 (Repeatability)： 在傳導路徑中，唯一的變數是纜線、轉接頭和衰減器的固定損耗，這些損耗值是靜態、已知且極易透過儀器的校準程序進行精確補償（De-embedding）的。這確保了測試結果的高度一致性，無論是在研發實驗室、生產線，還是全球不同地點的認證機構，只要遵循相同的校準流程，測得的數據便具有全球一致的可比性。
   

3. 清晰的故障界定 (Fault Isolation)： 當測試結果（如 EVM 或 ACLR）不符合規範時，傳導測試允許工程人員清晰地進行故障隔離，問題是出在功率放大器 (PA) 的非線性，還是混頻器 (Mixer) 的洩漏，或是濾波器的響應不佳？可以透過分級測試，精確定位問題根源。

在 Sub-6 GHz 時代，測試的複雜性主要集中在訊號調變本身的演進（如從 QPSK 到 1024-QAM），但測試的「物理介面」——那條可靠的 RF 纜線——始終是穩固不變的錨點。

毫米波的物理屏障

當頻譜需求驅使行業向 28 GHz、39 GHz 乃至更高頻段探索時，物理定律展現了其嚴苛的另一面。毫米波頻段雖然提供了數千兆赫 (GHz) 的龐大頻寬，但其傳播特性卻充滿挑戰。

屏障一：劇烈的傳播損耗 (Path Loss)

自由空間路徑損耗 (FSPL) 與頻率的平方成正比，這條基礎物理定律意味著，在相同距離下，30 GHz 訊號的損耗比 3 GHz 訊號要高出 100 倍（即 20 dB）。

這種指數級增長的衰減是驚人的，毫米波訊號在空氣中傳播的距離極短，能量耗散極快，Sub-6 GHz 訊號若能覆蓋一個街區，毫米波訊號在同等功率下可能僅能覆蓋一個房間。

屏障二：光學化的脆弱傳播

毫米波的波長極短（例如 30 GHz 時波長僅 10 毫米），使其傳播行為更接近「光學」而非傳統「無線電」：

• 穿透力極差：Sub-6 GHz 訊號可穿牆而過，而毫米波訊號會被絕大多數日常物體嚴重削弱，包括玻璃、牆體，甚至是用戶的手掌或身體。

• 繞射能力匱乏：訊號幾乎無法「繞過」障礙物，嚴重依賴「視線傳播」(Line-of-Sight, LoS)。

物理定律的必然推論：波束成形

面對如此嚴峻的損耗和脆弱的傳播特性，系統設計只有一條出路：必須將有限的能量高度聚焦。

傳統的「廣播式」發射（像燈泡一樣照亮所有方向）在毫米波頻段是不可行的，系統被迫採用大規模天線陣列（Massive Antenna Arrays），透過精確控制陣列中每個天線單元的相位和幅度，將所有能量「匯聚」成一道或多道極窄的波束 (Beam)。

這項被稱為波束成形 (Beamforming) 的技術，如同將燈泡的能量匯聚成一道高強度的雷射筆，以此定向補償巨大的路徑損耗，在毫米波系統中，波束成形並非「附加功能」，而是系統得以運作的「先決條件」。

整合的浪潮：測試點的消失

波束成形的需求，進一步引發了 RF 系統架構的根本性革命，並最終導致了傳導測試介面的終結。

在毫米波的高頻下，傳統 PCB 上的銅箔走線本身就是一個劣質的「天線」和「衰減器」，訊號在電路板上僅傳輸幾公分的距離，其損耗就可能高到無法接受，同樣地，傳統的同軸纜線和連接器，在這些頻率下的性能、成本和一致性都面臨巨大挑戰。

唯一的解決方案是極致的「整合」。

系統設計師被迫將射頻鏈路的關鍵元件——包括功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA)、移相器 (Phase Shifter)，乃至天線輻射單元 (Antenna Element) 本身——全部「共同封裝」在一個極小的半導體模組中。

這就是整合天線封裝 (Antenna in Package, AiP) 技術。

決定性的轉捩點

AiP 的出現，是 RF 測試方法論上的一個決定性轉捩點，在 AiP 模組內部，RF 訊號在晶片（Die）上產生或處理後，僅經過幾毫米的封裝內部走線，就「立即」透過封裝體表面的微型天線單元，以電磁波的形式輻射到空中。

那個工程界依賴了數十年、作為傳導測試基礎的、標準化的 50 歐姆物理同軸連接點，在 AiP 設計中被徹底「消除」了。

典範轉移：空中傳輸測試 (OTA) 的必然

當物理連接點不復存在，測試的唯一途徑便是「在空中捕捉訊號」，空中傳輸測試 (Over-the-Air, OTA) 從此成為毫米波驗證的唯一且必然的選擇。

這迫使測試環境從一個可預測的「電氣世界」轉移到一個複雜的「空間物理世界」，測試必須在電波暗室 (Anechoic Chamber) 中進行，利用高精度的定位系統和探測天線，來「接收」並分析 DUT 輻射出來的電磁波。

空間量測的全新複雜性

OTA 測試引入了傳導測試時代聞所未聞的複雜性：

• 空間校準：傳導測試只需校準一條纜線的損耗，OTA 測試則必須校準整個三維測試空間，DUT 與探測天線之間的距離（即「路徑損耗」）、兩者的精確對準、空氣溫濕度，乃至暗室吸波材料的微小反射，都成為了量測不確定性 (Measurement Uncertainty) 的來源。
  

• 環境控制：電波暗室（字面意思是「無回音的房間」）的造價高昂，其目的是利用牆壁上的金字塔狀吸波材料「吞噬」所有電磁波，模擬無限遠的自由空間，任何不完美的吸收或反射（例如來自 DUT 的固定支架），都會污染量測結果。
  

• 可重複性挑戰：實現 OTA 測試的可重複性，需要對機械定位精度、儀器穩定性和環境變異進行極其嚴苛的控制。

測試指標的重塑：從「功率」到「空間特性」

更為根本的轉變，在於測試「標的」的變化，由於波束成形的存在，DUT 的性能不再是一個靜態的、全向一致的數值，而是一個隨方向動態變化的函數。

告別傳導功率，迎接 EIRP

「傳導功率」（PA 輸出了多少瓦）在 AiP 模組中已失去量測意義，取而代之的，是等效全向輻射功率 (Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP)。

EIRP 是一個「方向性」指標，它量化的是 DUT「在特定方向上」，經過天線陣列的波束聚焦增益後，實際輻射出的能量強度，同一個 DUT，其主波束方向的 EIRP 可能極高，而僅僅偏離幾度的旁瓣方向，其輻射能量可能驟降數十倍。

驗證空間行為

因此，OTA 測試的核心任務，是驗證 DUT 的「空間行為」，測試儀器必須回答一系列全新的問題：

1. 波束指向準確性：當系統指令波束指向方位角 30 度、俯仰角 15 度時，實際的能量波束峰值是否精確指向該座標？

2. 波束寬度與形狀：波束是過「胖」還是過「瘦」？波束的 3D 形狀是否符合設計預期？

3. 旁瓣電平 (Sidelobe Levels)：在主波束（目標方向）之外，洩漏到其他方向的能量（旁瓣）有多低？旁瓣是潛在的干擾源，受到嚴格的法規限制。

4. 動態波束切換 (Beam Switching)：當模擬用戶移動時，系統從一個波束切換到下一個波束的反應有多快？在切換的瞬間，訊號品質 (EVM) 是否會瞬間惡化？

不可逆轉的演進

從 Sub-6 GHz 的傳導測試，到毫米波的 OTA 測試，這場變革是深刻且不可逆轉的，它並非由某家公司或某個標準組織「發明」，而是由高頻物理定律和半導體整合趨勢共同「推動」的必然結果。

射頻測試的範疇已經被永久性地擴展了。它不再是單純的「電氣性能」驗證，而是演變為一門複雜的、融合了RF 電路、天線物理學與控制演算法的「系統級空間性能」評鑑科學。