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      5個小貼士,提升功率放大器(PA)設計驗證效率

      作者:時間:2022-05-06來源:是德科技KEYSIGHT收藏

      ),在移動設備中的重要性不言而喻,尤其是隨著通信技術的發展,5G,WiFi 6/6E,UWB等寬帶制式對功放提出了更高的要求,更復雜的調制方式,更高的調制階數,更多的載波聚合,更高的頻段與帶寬,使得測試驗證的復雜度也隨之提高。

      本文引用地址:http://www.51kbu.com/article/202205/433791.htm

      ? 如何提高效率?

      ? 如何真實地反映本身的EVM指標?

      ? 為什么經常遇到不同的測試儀表平臺的EVM測試結果有很大差別?

      相信這些都是大家在平時的工作中常遇到的困擾,基于此,我們總結了經常會遇到的5個典型問題,以及解決問題的小貼士,小伙伴們,來看看這些易踩的“坑”,你都成功避過了嗎?

      問題1 設計仿真階段模型不準

      寬帶高頻PA的設計,是一項復雜的工作,需要借助專業的仿真工具完成。對設計師而言,PA仿真面臨兩大難題:

      一是如何獲得與實測一致準確的仿真結果;

      二是在PA設計完成后,模型如何用于后續的系統驗證或DPD算法驗證。

      小貼士

      要解決這兩個難題,最重要是獲得準確的仿真模型,包括大信號,非線性,寬帶模型;也包括無源器件,電路走線,接頭的準確模型。

      針對非線性模型,可以使用矢量網絡分析儀提取器件的X參數對非線性模型。針對無源器件,走線,接頭等模型提取,通過設計夾具,去嵌入,對元件模型進行測試提取。使用實測模型進行仿真,多次迭代,最終仿真與測試一致。

      圖片

      圖|利用ADS進行寬帶功放設計

      針對系統驗證或DPD算法驗證,還需要考慮寬帶器件的記憶效應,可以使用ADS仿真軟件,生成FCE模型,用于后續的系統驗證或DPD算法驗證。也可以通過儀表,搭建半實物測試系統,如下圖,將設計完成的PA實物通過儀表與系統軟件連接,直接完成系統性能驗證或DPD算法驗證。

      圖片
      圖片

      圖|是德科技半實物測試系統示意圖

      問題2 測試時EVM失真嚴重

      現代通訊對射頻系統的帶寬和工作頻段都提出了苛刻的要求,尤其對于毫米波和超寬帶功放而言,測試平臺所引入的失真和誤差會嚴重影響最終的測試結果。

      如下圖是我們做過的一個原型機試驗,采用基于5G候選波形FBMC調制,通過寬帶矢量源生成的一個載波頻率為20GHz,調制帶寬達4GHz的原始信號,其物理層調制的數據傳輸速率達到了10-20Gbps。

      從頻譜曲線可以看出整個頻率范圍內不同頻率成分的幅度波動很大,遠離中心頻率的頻率分離衰減增大,呈現明顯的幅度不平坦,因為信號是由很多個子載波構成,這些幅度衰減的頻率成分將使其所在的子載波的信噪比降低,導致EVM下降。

      雖然原型機平臺可以依靠接收機信道均衡和糾錯等措施仍然可以實現較高的吞吐率,但是如果用于PA或基站的射頻測試,就會嚴重影響測試EVM的準確度。

      圖片

      圖|未校正的超寬帶調制信號示例

      小貼士

      對測試平臺進行寬帶校正補償 

      方法1,儀器預置校正數據。出廠前對儀表自身的寬帶失真進行測量并且將校正數據存儲在儀表里面,在測試時儀表根據頻率和帶寬自動應用校正數據,無需額外的校正操作即可進行測試。(注:該方法必須儀器支持內置校準功能)

      方法2,系統外部校正。使用校準器在現場對儀表進行寬度校正,實時產生校正數據補償到儀表中,使儀表的EVM達到最優。對信號源和分析儀以及外部器件進行獨立的校正,校正數據即可以應用到儀表測試端口,也可以包含測試中使用的外部附件或射頻器件模塊一起校正,校正數據可以應用到被測件的輸入或輸出端口,而且現場的各種環境和工作條件產生的影響也會被包括在校正操作中,所以目前應用這種方式總是能在現場實現儀表最佳的EVM特性。

      是德科技的測試平臺,提供了結合上述兩種方案的最優解。

      ? 信號生成部分,M9384B VXG 微波信號發生器內置校準功能,輸出信號校準到端口,通過用戶自定義的自動通道相應校正和S參數去嵌入,將信號校準面延伸到PA輸入端面;

      ? 信號分析部分,采用U9361 RCal接收機校準儀去除線纜轉接頭等外部附件帶來的頻率響應,將信號校準面延伸至PA輸出端面,如下圖,是目前推薦使用的方法。 

      圖片

      圖|外部校準方法示意(針對線性失真)

      問題3 測量EVM一致性差

      測試附件,諸如轉接頭和線纜的選擇,是PA及寬帶收發測試中很容易被忽略的環節,而在實際的測試中,測試附件會對結果產生很大的影響,尤其是毫米波頻段使用的線纜和接頭,相對于6GHz以下的低頻段,一般存在更大的線性失真和不平坦性。 

      小貼士

      方法1,選用高質量的轉接頭和電纜,以保證測試一致性。

      方法2,在選用高質量測試附件的同時,采用現場外部校正的方式,把測試附件的誤差包含在校正數據里面,去除這些部分的影響,具體方法參考前文。

      問題4 加入驅動放大后EVM惡化嚴重

      在測試大功率PA時經常遇到的一個問題就是驅動放大,由于大功率PA往往需要較高的Pin,而毫米波矢量信號源的最佳線性輸出電平通常低于要求,所以往往需要在被測PA輸入端加一個驅動放大器,下圖是一個實際測試連接框圖:

      圖片

      圖|5G大功率PA測試EVM連接框圖

      了用于5G寬帶信號產生和分析的信號源和分析儀外,驅動放大器自身也給測試帶來很大影響。雖然一般采用的驅動放大器都是寬帶線性放大器,只要設置合適的輸入和輸出功率區間,放大器工作在線性區,非線性失真很小,其仍然存在線性失真,驅動放大器本身的幅頻響應和相頻響應波動仍然對EVM產生較大的影響。

      我們實際測試中發現,在26GHz-29GHz頻率范圍,800MHz調制帶寬條件下,信號源本身輸出信號的EVM已經校正到0.8%,但是經過驅動放大器之后,EVM會惡化到最大3%-4%,這不僅導致最終被測PA輸出信號的EVM很高,而且甚至超過了廠家對系統級EVM的要求。

      小貼士

      采用前文中提到的外部校準方法,如下圖,使信號源加驅動放大器的整體EVM達到1%左右,這樣再連接被測PA進行EVM測試,就獲得了比較理想的結果,因為這時驅動放大器的線性失真不會對測試產生影響。

      圖片

      圖|基于RCal的外部校正方法解決驅動放大器影響EVM測試問題

      問題5 在片測試時多次下針導致低效及損耗

      高集成度的PAFEM在片測量中,需要對諸多參數進行測量,諸如S 參數、噪聲系數、互調失真、壓縮,脈沖射頻測量等,而不同的參數通常需要用不同的系統進行測量。

      多套系統完成測試需要多次下針,也會在PAD上留下痕跡 ,對測試效率及精度都會造成不同程度的影響,如下圖,1次下針與4次下針后PAD示意,可以明顯看到,多次下針后,PAD上留下了明顯的痕跡,對測試板及探針是個極大的損耗,而且每次測量,都需要重新校準,費時費力。

      圖片

      圖|多次下針后,PAD上留下明顯痕跡

      小貼士

      采用單次連接,多次測量的方式,即一次性連接被測器件,用一套系統完成原來多個系統才能完成的工作,可以減少連接復雜性和工作量。目前,是德科技的PNA-X系列高性能網絡分析儀可以方便的實現只用一組連接對有源或無源器件進行多項測量:S 參數、噪聲系數、增益壓縮、THD、IMD 和頻譜分析。

      結語

      PA設計與驗證涉及到諸多內容,研發端與生產端的測試方法也不盡相同,除了上述提到的幾點,還有很多需要注意的地方:

      ? 比如在設計時如果不事先預留測試點,后期便會出現需要通過“飛線”等手段引出信號進行驗證;

      ? 比如需調整電路工作在線性區,否則易出現非線性失真,那就需要考慮通過額外的算法來消除其影響;

      ? 比如外圍電路不匹配會導致很大的測試誤差; 

      ? 以及采用先進算法包括DPD,CFR以及包絡跟蹤(ET)等。 



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