5G射頻測(cè)試技術(shù)白皮書詳解

你正在研究5G的必爭之地——射頻前端？

發(fā)現(xiàn)功率放大器和射頻前端模塊的測(cè)量

不是想象的那么簡單

別怕！小編這就奉上射頻測(cè)試技術(shù)白皮書

幫你攻克難題

功率放大器（PA）是現(xiàn)代無線電中不可或缺的射頻集成電路（RFIC）之一。無論是作為分立元件還是集成前端模塊（FEM）的一部分，PA會(huì)顯著地影響無線發(fā)射機(jī)的性能。例如，無線PA的附加功率效率（PAE）在很大程度上會(huì)影響移動(dòng)設(shè)備的電池壽命，其線性度會(huì)影響接收機(jī)解調(diào)傳輸信號(hào)的能力。

分立元件與集成前端模塊

在GSM和UMTS等技術(shù)發(fā)展的早期，移動(dòng)設(shè)備通常會(huì)為每個(gè)GSM和UMTS無線電配備獨(dú)立的放大器。然而，LTE和WLAN技術(shù)的出現(xiàn)以及更多無線電頻段的使用推動(dòng)了對(duì)集成化程度更高的射頻前端技術(shù)的需求。

如今供應(yīng)商正在嘗試將更多設(shè)備封裝到單個(gè)組件中，包括PA、低噪放大器（LNA），雙工器和天線開關(guān)。因此，現(xiàn)在射頻測(cè)試工程師的任務(wù)通常是測(cè)試高度集成的前端模塊（如圖1所示），而非一個(gè)獨(dú)立的PA。盡管前端模塊測(cè)試所需的測(cè)量與分立組件的測(cè)量基本相同，但是測(cè)試集成前端模塊通常還需要額外的步驟來配置待測(cè)設(shè)備（DUT）。

WLAN前端模塊

圖1. FEM通常將PA和LAN集成到同一個(gè)組件中

在分析射頻PA的性能特性時(shí)，工程師會(huì)采用各種測(cè)量和測(cè)試技術(shù)來了解設(shè)備的增益、線性度和效率。在實(shí)際操作中，分析設(shè)備特性所需的具體測(cè)量取決于放大器的預(yù)期用途。例如，盡管增益和效率等參數(shù)對(duì)于所有PA來說都很重要，但是用于無線通信傳輸?shù)脑O(shè)備仍需要針對(duì)特定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。誤差向量幅度（EVM）作為PA最重要的度量標(biāo)準(zhǔn)之一，就是用來衡量調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，而相鄰信道泄漏比（ACLR）是UMTS或LTE 射頻最重要的測(cè)量參數(shù)之一。

增益和輸出功率

射頻PA的兩個(gè)重要特性是增益和輸出功率。增益用來表示設(shè)備輸入功率與輸出功率之間的關(guān)系。通常當(dāng)PA的增益在較寬的輸入功率電平范圍內(nèi)維持相對(duì)恒定，但是當(dāng)輸出功率趨近于設(shè)備飽和區(qū)時(shí)，增益開始下降。這一效應(yīng)稱為增益壓縮。

圖2. 典型PA中輸入與輸出功率的關(guān)系曲線

分析PA最大可用輸出功率的最常用方法之一是測(cè)量1dB壓縮點(diǎn)。如圖2所示，1dB壓縮點(diǎn)是指PA提供的增益比其在線性工作區(qū)域提供的增益小1dB 的工作點(diǎn)。例如，如果PA在其線性工作區(qū)域的增益是18dB，則1dB壓縮點(diǎn)是指PA正好提供17dB增益時(shí)的輸出功率。

測(cè)試1dB壓縮點(diǎn)時(shí)，可以使用經(jīng)過功率校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）或射頻信號(hào)發(fā)生器和射頻信號(hào)分析儀的組合。使用射頻信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀的組合是測(cè)量1dB壓縮點(diǎn)的最快方法，可以使用連續(xù)波（CW）信號(hào)發(fā)生器或矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）進(jìn)行此測(cè)量。

增益可作為輸入功率的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)可使用射頻信號(hào)分析儀來測(cè)量信號(hào)發(fā)生器的功率電平并測(cè)量PA的輸出功率。如圖3所示，生產(chǎn)測(cè)試可用的一種優(yōu)化技術(shù)是將VSG配置為生成斜坡波形，而非具有不同功率電平的一系列連續(xù)波（CW）。

通過使用矢量信號(hào)收發(fā)儀（VSA）采集斜坡信號(hào)，即可輕松地將輸入功率與輸出功率相關(guān)聯(lián)，以確定增益與輸入功率的關(guān)系曲線。這種斜坡信號(hào)方法比針對(duì)不同的步驟對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行不同的配置要快得多，并且可以節(jié)省寶貴的測(cè)試時(shí)間。

圖3. 利用斜坡信號(hào)模擬PA來測(cè)量1dB壓縮點(diǎn)

NI PA測(cè)試解決方案采用的獨(dú)特技術(shù)是使用NI矢量信號(hào)收發(fā)儀（VST）實(shí)現(xiàn)基于FPGA 的功率級(jí)伺服。傳統(tǒng)的功率級(jí)伺服控制是一個(gè)非常耗時(shí)的過程。然而，通過完全在儀器FPGA上執(zhí)行控制回路，即可實(shí)現(xiàn)最快的功率級(jí)收斂。如果將功率級(jí)伺服算法從嵌入式控制器中分離出來并在FPGA上執(zhí)行，測(cè)試軟件就可以利用并行測(cè)量機(jī)制進(jìn)行并行測(cè)量，從而顯著降低測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本。有關(guān)使用NI VST進(jìn)行快速功耗測(cè)量的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問PA測(cè)試的FPGA 伺服控制（http://www.ni.com/example/31555/en/）。

PXI系統(tǒng)

提高增益和功率測(cè)量精度的一個(gè)重要技術(shù)是在儀器和待測(cè)PA之間使用小型 衰減器。在PA輸入和輸出功率上使用在線式固定衰減器，可以顯著減少由于失配引起的功率不確定性，如圖4所示。

圖4. 儀器和PA之間的衰減器有助于優(yōu)化失配不確定性。

利用功率計(jì)校準(zhǔn)功率測(cè)量

使用功率計(jì)或VSA可以測(cè)量PA的輸出功率。過去，功率計(jì)通過測(cè)量絕對(duì)功率成為最準(zhǔn)確的功率測(cè)量方法，準(zhǔn)確度在±0.2dB以內(nèi)。但是現(xiàn)在，矢量信號(hào)分析儀（VSA）配備了板載校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)等工具，可大大提高測(cè)量絕對(duì)功率的準(zhǔn)確度。VSA，如NI PXIe-5668R，僅僅使用板載校準(zhǔn)功能就可以實(shí)現(xiàn)±0.4dB的功率測(cè)量準(zhǔn)確度，如果使用參考校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)（如功率計(jì)），就可以達(dá)到更高的功率準(zhǔn)確度。總體說來，盡管功率計(jì)可以比VSA更加精確地測(cè)量射頻功率，但VSA在測(cè)量待測(cè)設(shè)備的輸出功率和增益方面有如下優(yōu)勢(shì)。首先，VSA可以使用單個(gè)儀器進(jìn)行多種測(cè)量，具有便捷性。此外，與功率計(jì)相比，VSA可以更快地測(cè)量功率，正因如此，在自動(dòng)化射頻測(cè)試應(yīng)用中，許多工程師往往使用VSA，結(jié)合 1dB壓縮點(diǎn)來測(cè)量功率。

測(cè)量功率和增益的一個(gè)重要步驟就是使用功率計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)置。完成該校正步驟首先需將功率計(jì)連接至待測(cè)設(shè)備輸入端的參考平面，如圖5所示。使用功率計(jì)，我們可以在各種頻率下測(cè)量信號(hào)發(fā)生器以及衰減器和線纜的總輸出功率。設(shè)置好此步驟以后，我們就獲得了信號(hào)發(fā)生器在功率計(jì)的功率精度范圍內(nèi)的特性。

系統(tǒng)校準(zhǔn)

圖5. 系統(tǒng)校準(zhǔn)通過兩個(gè)步驟完成，即使用功率計(jì)校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀。

校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置完成后，可直接將信號(hào)分析儀裝置連接至信號(hào)發(fā)生器裝置，信號(hào)分析儀裝置包括儀器、電纜和衰減器等。利用信號(hào)發(fā)生器生成的校準(zhǔn)響應(yīng)，并假設(shè)使用功率計(jì)進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果正確無誤，就可以確定信號(hào)分析儀裝置的測(cè)量偏移。執(zhí)行完以上校準(zhǔn)步驟后，即可參考功率計(jì)的結(jié)果，更準(zhǔn)確地測(cè)量輸出功率和增益。

盡管在自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用中，測(cè)量PA增益最常見且最快速的方法是使用VSG和VSA，但是也可以使用VNA來測(cè)量PA的增益。使用二端口VNA測(cè)量PA的增益時(shí)，將VNA的端口1連接至PA輸入端，將VNA的端口2連接至PA輸出端，然后 測(cè)量S21系數(shù)，S21即PA的增益。

使用VNA測(cè)量PA增益的一個(gè)關(guān)鍵問題是確保PA的輸出功率不會(huì)達(dá)到飽和或是 損壞VNA接收器。在這種情況下，外部衰減的量會(huì)顯著影響S21測(cè)量的準(zhǔn)確性。雖然許多VNA具有的最大安全輸入功率電平通常在1W（+ 30dBm）量級(jí)，但是當(dāng)儀器在接近最大功率電平下工作時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確性通常會(huì)降低，因?yàn)榕cVSA相比，VNA的可編程衰減器范圍通常更窄。

使用VNA對(duì)PA進(jìn)行精確測(cè)量需要注意端口2輸入端的功率電平。一般說來要確保PA的源功率和VNA端口2的輸入功率基本相等。因此，如果希望PA產(chǎn)生20dB的增益，則應(yīng)在PA的輸出端和VNA端口2之間連接一個(gè)20dB的衰減器，如圖6所示。

免端口飽和

圖6. 使用VNA測(cè)量PA增益時(shí)，可使用衰減器來避免端口2達(dá)到飽和狀態(tài)。

在PA的輸出端使用衰減器和在VNA端口2使用衰減器的一個(gè)重要差別是對(duì)校 準(zhǔn)參考平面的影響。無論是使用短路－開路－負(fù)載－直通（SOLT）的方法還是使用自動(dòng)校準(zhǔn)套件來校準(zhǔn)VNA，參考平面都應(yīng)盡可能靠近待測(cè)設(shè)備。

使用外部衰減器時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)應(yīng)考慮到衰減器和所有相關(guān)電纜以及路徑中的所有連接件，如圖7所示。對(duì)于使用信號(hào)路徑中的衰減器來校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的情況，測(cè)量得到的VNA S21即為增益。有關(guān)VNA校準(zhǔn)的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問ni.com，查看網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量介紹。

理解參考平面

圖7. VNA校準(zhǔn)參考平面必須擴(kuò)展到外部衰減器之外

回波損耗和反向隔離

雖然增益等參數(shù)的測(cè)量在技術(shù)上不需要使用VNA，但是回波損耗和隔離的測(cè)量確實(shí)需要完整的網(wǎng)絡(luò)分析。針對(duì)回波損耗和反向隔離的儀器設(shè)置取決于要分析的是PA的小信號(hào)行為還是大信號(hào)行為。小信號(hào)是指在線性工作區(qū)域內(nèi)的信號(hào)，大信號(hào)是指在非線性工作區(qū)域的信號(hào)。測(cè)量小信號(hào)行為時(shí)，可以使用VNA精確測(cè)量S11（輸入回波損耗）和S22（輸出回波損耗）。

在某些情況下，測(cè)量輸出回波損耗可能需要對(duì)測(cè)試配置進(jìn)行微調(diào)，如圖8所示。PA輸出端和VNA端口2之間所需的衰減可能相對(duì)較高，尤其是對(duì)于高增益PA。在這種情況下，高PA增益和相對(duì)較低的回波損耗會(huì)產(chǎn)生功率極低的反射信號(hào)，并由VNA的端口2進(jìn)行測(cè)量。因此，對(duì)高增益PA進(jìn)行精確的S22參數(shù)測(cè)量通常需要使用衰減器來生成比放大器增益更低的損耗。在這些情況下，通常針對(duì)S11、S12和S21測(cè)量使用一個(gè)衰減值，針對(duì)S22測(cè)量使用另一個(gè)衰減值。

NI半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)（STS）是一款全自動(dòng)化生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)，采用全新的方法來測(cè)量生

產(chǎn)測(cè)試中的S參數(shù)。該系統(tǒng)結(jié)合了端口模塊（port Module）與NI矢量信號(hào)收發(fā)器

（VST）。除了開關(guān)和預(yù)選功能之外，端口模塊包含的定向耦合器可以有效地將VST

轉(zhuǎn)換成VNA。因此，可以在生產(chǎn)測(cè)試環(huán)境下快速測(cè)量S參數(shù)，而不需要使用其他儀

器。S參數(shù)測(cè)量使用多端口校準(zhǔn)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，該模塊可以自動(dòng)校準(zhǔn)多達(dá)48個(gè)RF端

口。

測(cè)量S參數(shù)

圖8. VNA可用于測(cè)量反向隔離和回波損耗

在大信號(hào)條件下測(cè)試PA時(shí)，測(cè)試配置要復(fù)雜得多。在大信號(hào)條件下，很大一部分輸出能量被轉(zhuǎn)換為諧波，而無法被傳統(tǒng)VNA捕捉到。因此，完整分析PA的大信號(hào)性能特征的需要使用大信號(hào)網(wǎng)絡(luò)分析儀（LSNA）或負(fù)載牽引測(cè)試臺(tái)，如圖9所示。由于在大信號(hào)條件下測(cè)量S12和S21系數(shù)更加困難，一種解決方法是將S21系數(shù)性能作為輸入和/或輸出阻抗的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。在這種情況下，可編程調(diào)諧器放置在待測(cè)設(shè)備的輸入或輸出端。

基本負(fù)載-牽引測(cè)試配置

圖9. 基本負(fù)載-牽引測(cè)試配置的原理圖

盡管這種方法不能直接測(cè)量輸入阻抗（S11）或輸出阻抗（S22），但是可以 通過反復(fù)試驗(yàn)來估算使PA達(dá)到最高性能或效率的輸入/輸出阻抗。需要注意的是，典型的配置是將CW信號(hào)發(fā)生器來供電并使用功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量?，F(xiàn)在可以使用VSG來生成調(diào)制信號(hào)，并使用VSA來分析調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而測(cè)量PA的大信號(hào)性能。