5G射頻測試技術白皮書詳解

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量

不是想象的那么簡單

別怕！小編這就奉上射頻測試技術白皮書

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會顯著地影響無線發(fā)射機的性能。例如，無線PA的附加功率效率（PAE）在很大程度上會影響移動設備的電池壽命，其線性度會影響接收機解調傳輸信號的能力。

分立元件與集成前端模塊

在GSM和UMTS等技術發(fā)展的早期，移動設備通常會為每個GSM和UMTS無線電配備獨立的放大器。然而，LTE和WLAN技術的出現(xiàn)以及更多無線電頻段的使用推動了對集成化程度更高的射頻前端技術的需求。

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

WLAN前端模塊

圖1. FEM通常將PA和LAN集成到同一個組件中

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

增益和輸出功率

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

圖2. 典型PA中輸入與輸出功率的關系曲線

分析PA最大可用輸出功率的最常用方法之一是測量1dB壓縮點。如圖2所示，1dB壓縮點是指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。例如，如果PA在其線性工作區(qū)域的增益是18dB，則1dB壓縮點是指PA正好提供17dB增益時的輸出功率。

測試1dB壓縮點時，可以使用經過功率校準的矢量網絡分析儀（VNA）或射頻信號發(fā)生器和射頻信號分析儀的組合。使用射頻信號發(fā)生器和信號分析儀的組合是測量1dB壓縮點的最快方法，可以使用連續(xù)波（CW）信號發(fā)生器或矢量信號發(fā)生器（VSG）進行此測量。

增益可作為輸入功率的函數(shù)進行測量，這時可使用射頻信號分析儀來測量信號發(fā)生器的功率電平并測量PA的輸出功率。如圖3所示，生產測試可用的一種優(yōu)化技術是將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）。

通過使用矢量信號收發(fā)儀（VSA）采集斜坡信號，即可輕松地將輸入功率與輸出功率相關聯(lián)，以確定增益與輸入功率的關系曲線。這種斜坡信號方法比針對不同的步驟對信號發(fā)生器進行不同的配置要快得多，并且可以節(jié)省寶貴的測試時間。

圖3. 利用斜坡信號模擬PA來測量1dB壓縮點

NI PA測試解決方案采用的獨特技術是使用NI矢量信號收發(fā)儀（VST）實現(xiàn)基于FPGA 的功率級伺服。傳統(tǒng)的功率級伺服控制是一個非常耗時的過程。然而，通過完全在儀器FPGA上執(zhí)行控制回路，即可實現(xiàn)最快的功率級收斂。如果將功率級伺服算法從嵌入式控制器中分離出來并在FPGA上執(zhí)行，測試軟件就可以利用并行測量機制進行并行測量，從而顯著降低測試時間和測試成本。有關使用NI VST進行快速功耗測量的更多信息，請訪問PA測試的FPGA 伺服控制（http://www.ni.com/example/31555/en/）。

PXI系統(tǒng)

提高增益和功率測量精度的一個重要技術是在儀器和待測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。

利用功率計校準功率測量

使用功率計或VSA可以測量PA的輸出功率。過去，功率計通過測量絕對功率成為最準確的功率測量方法，準確度在±0.2dB以內。但是現(xiàn)在，矢量信號分析儀（VSA）配備了板載校準標準等工具，可大大提高測量絕對功率的準確度。VSA，如NI PXIe-5668R，僅僅使用板載校準功能就可以實現(xiàn)±0.4dB的功率測量準確度，如果使用參考校準標準（如功率計），就可以達到更高的功率準確度。總體說來，盡管功率計可以比VSA更加精確地測量射頻功率，但VSA在測量待測設備的輸出功率和增益方面有如下優(yōu)勢。首先，VSA可以使用單個儀器進行多種測量，具有便捷性。此外，與功率計相比，VSA可以更快地測量功率，正因如此，在自動化射頻測試應用中，許多工程師往往使用VSA，結合 1dB壓縮點來測量功率。

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

系統(tǒng)校準

圖5. 系統(tǒng)校準通過兩個步驟完成，即使用功率計校準信號發(fā)生器和信號分析儀。

校準信號發(fā)生器設置完成后，可直接將信號分析儀裝置連接至信號發(fā)生器裝置，信號分析儀裝置包括儀器、電纜和衰減器等。利用信號發(fā)生器生成的校準響應，并假設使用功率計進行的測量結果正確無誤，就可以確定信號分析儀裝置的測量偏移。執(zhí)行完以上校準步驟后，即可參考功率計的結果，更準確地測量輸出功率和增益。

盡管在自動化測試應用中，測量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來測量PA的增益。使用二端口VNA測量PA的增益時，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 測量S21系數(shù)，S21即PA的增益。

使用VNA測量PA增益的一個關鍵問題是確保PA的輸出功率不會達到飽和或是 損壞VNA接收器。在這種情況下，外部衰減的量會顯著影響S21測量的準確性。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，但是當儀器在接近最大功率電平下工作時，測量準確性通常會降低，因為與VSA相比，VNA的可編程衰減器范圍通常更窄。

使用VNA對PA進行精確測量需要注意端口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產生20dB的增益，則應在PA的輸出端和VNA端口2之間連接一個20dB的衰減器，如圖6所示。

免端口飽和

圖6. 使用VNA測量PA增益時，可使用衰減器來避免端口2達到飽和狀態(tài)。

在PA的輸出端使用衰減器和在VNA端口2使用衰減器的一個重要差別是對校 準參考平面的影響。無論是使用短路－開路－負載－直通（SOLT）的方法還是使用自動校準套件來校準VNA，參考平面都應盡可能靠近待測設備。

使用外部衰減器時，測量系統(tǒng)的校準應考慮到衰減器和所有相關電纜以及路徑中的所有連接件，如圖7所示。對于使用信號路徑中的衰減器來校準測量系統(tǒng)的情況，測量得到的VNA S21即為增益。有關VNA校準的更多信息，請訪問ni.com，查看網絡分析儀測量介紹。

理解參考平面

圖7. VNA校準參考平面必須擴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)的測量在技術上不需要使用VNA，但是回波損耗和隔離的測量確實需要完整的網絡分析。針對回波損耗和反向隔離的儀器設置取決于要分析的是PA的小信號行為還是大信號行為。小信號是指在線性工作區(qū)域內的信號，大信號是指在非線性工作區(qū)域的信號。測量小信號行為時，可以使用VNA精確測量S11（輸入回波損耗）和S22（輸出回波損耗）。

在某些情況下，測量輸出回波損耗可能需要對測試配置進行微調，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較高，尤其是對于高增益PA。在這種情況下，高PA增益和相對較低的回波損耗會產生功率極低的反射信號，并由VNA的端口2進行測量。因此，對高增益PA進行精確的S22參數(shù)測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S11、S12和S21測量使用一個衰減值，針對S22測量使用另一個衰減值。

NI半導體測試系統(tǒng)（STS）是一款全自動化生產測試系統(tǒng)，采用全新的方法來測量生

產測試中的S參數(shù)。該系統(tǒng)結合了端口模塊（port Module）與NI矢量信號收發(fā)器

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

轉換成VNA。因此，可以在生產測試環(huán)境下快速測量S參數(shù)，而不需要使用其他儀

器。S參數(shù)測量使用多端口校準模塊進行校準，該模塊可以自動校準多達48個RF端

口。

測量S參數(shù)

圖8. VNA可用于測量反向隔離和回波損耗

在大信號條件下測試PA時，測試配置要復雜得多。在大信號條件下，很大一部分輸出能量被轉換為諧波，而無法被傳統(tǒng)VNA捕捉到。因此，完整分析PA的大信號性能特征的需要使用大信號網絡分析儀（LSNA）或負載牽引測試臺，如圖9所示。由于在大信號條件下測量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)進行測量。在這種情況下，可編程調諧器放置在待測設備的輸入或輸出端。

基本負載-牽引測試配置

圖9. 基本負載-牽引測試配置的原理圖

盡管這種方法不能直接測量輸入阻抗（S11）或輸出阻抗（S22），但是可以 通過反復試驗來估算使PA達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信號發(fā)生器來供電并使用功率計進行測量。現(xiàn)在可以使用VSG來生成調制信號，并使用VSA來分析調制信號，進而測量PA的大信號性能。