5G射频测试技术白皮书详解

你正在研究5G的必争之地——射频前端？

发现功率放大器和射频前端模块的测量

不是想象的那么简单

别怕！小编这就奉上射频测试技术白皮书

帮你攻克难题

功率放大器（PA）是现代无线电中不可或缺的射频集成电路（RFIC）之一。无论是作为分立元件还是集成前端模块（FEM）的一部分，PA会显著地影响无线发射机的性能。例如，无线PA的附加功率效率（PAE）在很大程度上会影响移动设备的电池寿命，其线性度会影响接收机解调传输信号的能力。

分立元件与集成前端模块

在GSM和UMTS等技术发展的早期，移动设备通常会为每个GSM和UMTS无线电配备独立的放大器。然而，LTE和WLAN技术的出现以及更多无线电频段的使用推动了对集成化程度更高的射频前端技术的需求。

如今供应商正在尝试将更多设备封装到单个组件中，包括PA、低噪放大器（LNA），双工器和天线开关。因此，现在射频测试工程师的任务通常是测试高度集成的前端模块（如图1所示），而非一个独立的PA。尽管前端模块测试所需的测量与分立组件的测量基本相同，但是测试集成前端模块通常还需要额外的步骤来配置待测设备（DUT）。

WLAN前端模块

图1. FEM通常将PA和LAN集成到同一个组件中

在分析射频PA的性能特性时，工程师会采用各种测量和测试技术来了解设备的增益、线性度和效率。在实际操作中，分析设备特性所需的具体测量取决于放大器的预期用途。例如，尽管增益和效率等参数对于所有PA来说都很重要，但是用于无线通信传输的设备仍需要针对特定标准进行测量。误差向量幅度（EVM）作为PA最重要的度量标准之一，就是用来衡量调制信号的质量，而相邻信道泄漏比（ACLR）是UMTS或LTE 射频最重要的测量参数之一。

增益和输出功率

射频PA的两个重要特性是增益和输出功率。增益用来表示设备输入功率与输出功率之间的关系。通常当PA的增益在较宽的输入功率电平范围内维持相对恒定，但是当输出功率趋近于设备饱和区时，增益开始下降。这一效应称为增益压缩。

图2. 典型PA中输入与输出功率的关系曲线

分析PA最大可用输出功率的最常用方法之一是测量1dB压缩点。如图2所示，1dB压缩点是指PA提供的增益比其在线性工作区域提供的增益小1dB 的工作点。例如，如果PA在其线性工作区域的增益是18dB，则1dB压缩点是指PA正好提供17dB增益时的输出功率。

测试1dB压缩点时，可以使用经过功率校准的矢量网络分析仪（VNA）或射频信号发生器和射频信号分析仪的组合。使用射频信号发生器和信号分析仪的组合是测量1dB压缩点的最快方法，可以使用连续波（CW）信号发生器或矢量信号发生器（VSG）进行此测量。

增益可作为输入功率的函数进行测量，这时可使用射频信号分析仪来测量信号发生器的功率电平并测量PA的输出功率。如图3所示，生产测试可用的一种优化技术是将VSG配置为生成斜坡波形，而非具有不同功率电平的一系列连续波（CW）。

通过使用矢量信号收发仪（VSA）采集斜坡信号，即可轻松地将输入功率与输出功率相关联，以确定增益与输入功率的关系曲线。这种斜坡信号方法比针对不同的步骤对信号发生器进行不同的配置要快得多，并且可以节省宝贵的测试时间。

图3. 利用斜坡信号模拟PA来测量1dB压缩点

°使用NI矢量信号收发仪实现快速功率级伺服控制

NI PA测试解决方案采用的独特技术是使用NI矢量信号收发仪（VST）实现基于FPGA 的功率级伺服。传统的功率级伺服控制是一个非常耗时的过程。然而，通过完全在仪器FPGA上执行控制回路，即可实现最快的功率级收敛。如果将功率级伺服算法从嵌入式控制器中分离出来并在FPGA上执行，测试软件就可以利用并行测量机制进行并行测量，从而显著降低测试时间和测试成本。有关使用NI VST进行快速功耗测量的更多信息，请访问PA测试的FPGA 伺服控制（http://www.ni.com/example/31555/en/）。

PXI系统

提高增益和功率测量精度的一个重要技术是在仪器和待测PA之间使用小型 衰减器。在PA输入和输出功率上使用在线式固定衰减器，可以显著减少由于失配引起的功率不确定性，如图4所示。

图4. 仪器和PA之间的衰减器有助于优化失配不确定性。

利用功率计校准功率测量

使用功率计或VSA可以测量PA的输出功率。过去，功率计通过测量绝对功率成为最准确的功率测量方法，准确度在±0.2dB以内。但是现在，矢量信号分析仪（VSA）配备了板载校准标准等工具，可大大提高测量绝对功率的准确度。VSA，如NI PXIe-5668R，仅仅使用板载校准功能就可以实现±0.4dB的功率测量准确度，如果使用参考校准标准（如功率计），就可以达到更高的功率准确度。总体说来，尽管功率计可以比VSA更加精确地测量射频功率，但VSA在测量待测设备的输出功率和增益方面有如下优势。首先，VSA可以使用单个仪器进行多种测量，具有便捷性。此外，与功率计相比，VSA可以更快地测量功率，正因如此，在自动化射频测试应用中，许多工程师往往使用VSA，结合 1dB压缩点来测量功率。

测量功率和增益的一个重要步骤就是使用功率计校准系统设置。完成该校正步骤首先需将功率计连接至待测设备输入端的参考平面，如图5所示。使用功率计，我们可以在各种频率下测量信号发生器以及衰减器和线缆的总输出功率。设置好此步骤以后，我们就获得了信号发生器在功率计的功率精度范围内的特性。

系统校准

图5. 系统校准通过两个步骤完成，即使用功率计校准信号发生器和信号分析仪。

校准信号发生器设置完成后，可直接将信号分析仪装置连接至信号发生器装置，信号分析仪装置包括仪器、电缆和衰减器等。利用信号发生器生成的校准响应，并假设使用功率计进行的测量结果正确无误，就可以确定信号分析仪装置的测量偏移。执行完以上校准步骤后，即可参考功率计的结果，更准确地测量输出功率和增益。

°使用VNA测量增益

尽管在自动化测试应用中，测量PA增益最常见且最快速的方法是使用VSG和VSA，但是也可以使用VNA来测量PA的增益。使用二端口VNA测量PA的增益时，将VNA的端口1连接至PA输入端，将VNA的端口2连接至PA输出端，然后 测量S21系数，S21即PA的增益。

使用VNA测量PA增益的一个关键问题是确保PA的输出功率不会达到饱和或是 损坏VNA接收器。在这种情况下，外部衰减的量会显著影响S21测量的准确性。虽然许多VNA具有的最大安全输入功率电平通常在1W（+ 30dBm）量级，但是当仪器在接近最大功率电平下工作时，测量准确性通常会降低，因为与VSA相比，VNA的可编程衰减器范围通常更窄。

使用VNA对PA进行精确测量需要注意端口2输入端的功率电平。一般说来要确保PA的源功率和VNA端口2的输入功率基本相等。因此，如果希望PA产生20dB的增益，则应在PA的输出端和VNA端口2之间连接一个20dB的衰减器，如图6所示。

免端口饱和

图6. 使用VNA测量PA增益时，可使用衰减器来避免端口2达到饱和状态。

在PA的输出端使用衰减器和在VNA端口2使用衰减器的一个重要差别是对校 准参考平面的影响。无论是使用短路－开路－负载－直通（SOLT）的方法还是使用自动校准套件来校准VNA，参考平面都应尽可能靠近待测设备。

使用外部衰减器时，测量系统的校准应考虑到衰减器和所有相关电缆以及路径中的所有连接件，如图7所示。对于使用信号路径中的衰减器来校准测量系统的情况，测量得到的VNA S21即为增益。有关VNA校准的更多信息，请访问ni.com，查看网络分析仪测量介绍。

理解参考平面

图7. VNA校准参考平面必须扩展到外部衰减器之外

回波损耗和反向隔离

虽然增益等参数的测量在技术上不需要使用VNA，但是回波损耗和隔离的测量确实需要完整的网络分析。针对回波损耗和反向隔离的仪器设置取决于要分析的是PA的小信号行为还是大信号行为。小信号是指在线性工作区域内的信号，大信号是指在非线性工作区域的信号。测量小信号行为时，可以使用VNA精确测量S11（输入回波损耗）和S22（输出回波损耗）。

在某些情况下，测量输出回波损耗可能需要对测试配置进行微调，如图8所示。PA输出端和VNA端口2之间所需的衰减可能相对较高，尤其是对于高增益PA。在这种情况下，高PA增益和相对较低的回波损耗会产生功率极低的反射信号，并由VNA的端口2进行测量。因此，对高增益PA进行精确的S22参数测量通常需要使用衰减器来生成比放大器增益更低的损耗。在这些情况下，通常针对S11、S12和S21测量使用一个衰减值，针对S22测量使用另一个衰减值。

°在生产测试中使用STS快速测量S参数

NI半导体测试系统（STS）是一款全自动化生产测试系统，采用全新的方法来测量生

产测试中的S参数。该系统结合了端口模块（port Module）与NI矢量信号收发器

（VST）。除了开关和预选功能之外，端口模块包含的定向耦合器可以有效地将VST

转换成VNA。因此，可以在生产测试环境下快速测量S参数，而不需要使用其他仪

器。S参数测量使用多端口校准模块进行校准，该模块可以自动校准多达48个RF端

口。

测量S参数

图8. VNA可用于测量反向隔离和回波损耗

在大信号条件下测试PA时，测试配置要复杂得多。在大信号条件下，很大一部分输出能量被转换为谐波，而无法被传统VNA捕捉到。因此，完整分析PA的大信号性能特征的需要使用大信号网络分析仪（LSNA）或负载牵引测试台，如图9所示。由于在大信号条件下测量S12和S21系数更加困难，一种解决方法是将S21系数性能作为输入和/或输出阻抗的函数进行测量。在这种情况下，可编程调谐器放置在待测设备的输入或输出端。

基本负载-牵引测试配置

图9. 基本负载-牵引测试配置的原理图

尽管这种方法不能直接测量输入阻抗（S11）或输出阻抗（S22），但是可以 通过反复试验来估算使PA达到最高性能或效率的输入/输出阻抗。需要注意的是，典型的配置是将CW信号发生器来供电并使用功率计进行测量。现在可以使用VSG来生成调制信号，并使用VSA来分析调制信号，进而测量PA的大信号性能。