5G微波放大器測(cè)試方法淺析

胡玉榮 王 酣,2 邢榮欣,2 危 亮 吳永明

(1.深圳賽西信息技術(shù)有限公司，廣東深圳 518052；2.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176)

1 引 言

5G通信，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，被視為第四次科技革命，在短短的幾年間得到飛速的發(fā)展。它具有更快的速率、更寬的帶寬、更高的可靠性、更低的時(shí)延等特點(diǎn)，為現(xiàn)代通訊以及各個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性的發(fā)展[1]。元器件，特別是5G關(guān)鍵元器件(微波放大器、混頻器、濾波器、檢波器及射頻前端RFFEM等)，是5G技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)和保障，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因而在5G關(guān)鍵元器件的性能測(cè)試方面具有更嚴(yán)苛的要求。

5G微波放大器作為通信系統(tǒng)核心器件中的核心，相較于4G放大器，通常在更高的載波頻率和5G的調(diào)制信號(hào)下工作，并要求在這樣的條件下具備理想的線性度、信噪比、誤差矢量幅度EVM、放大效率和穩(wěn)定性等，這極具有挑戰(zhàn)性[2]。因此，對(duì)5G微波放大器的性能參數(shù)及其測(cè)試方法的研究分析就變得尤為關(guān)鍵和必要，這對(duì)提高整個(gè)通信系統(tǒng)的性能方面也具有一定的現(xiàn)實(shí)參考意義。

2 微波放大器的特性

2.1 根據(jù)測(cè)量參數(shù)特性分類

根據(jù)放大器測(cè)量參數(shù)的特性分為線性特性和非線性特性[3]。放大器的很多基本特性都被認(rèn)為是線性的，因此在描述大部分放大器的基本特性時(shí)會(huì)使用放大器的S參數(shù)。測(cè)量放大器的最主要工作是測(cè)量其小信號(hào)增益，然后還會(huì)測(cè)量諸如輸入匹配、輸出匹配和隔離度等其他特性。

線性特性是放大器的很重要的一個(gè)特性，但是很多放大器會(huì)工作在非線性狀態(tài)下。關(guān)于放大器的非線性特性，有幾個(gè)重要指標(biāo)，其中最為基本的就是增益壓縮。放大器的增益壓縮就是輸入功率提高時(shí)增益的衰減。另外，諧波和互調(diào)失真也是放大器非常重要的指標(biāo)參數(shù)。

2.2 根據(jù)作用類型分類

根據(jù)放大器的作用類型分為低噪聲放大器、系統(tǒng)放大器和功率放大器[3]。低噪聲放大器通常位于通信系統(tǒng)的最前端，用來(lái)在不增加過(guò)多噪聲的情況下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，其主要指標(biāo)為噪聲系數(shù)和增益。

系統(tǒng)放大器簡(jiǎn)單來(lái)講就是用來(lái)放大系統(tǒng)信號(hào)的增益模塊，具有很好的反向隔離特性，通常位于通信系統(tǒng)的中間，在低噪聲放大器LNA之后，功率放大器之前。系統(tǒng)放大器的噪聲系數(shù)可以比低噪聲放大器LNA高，因?yàn)樗鼈冎饕糜谛盘?hào)通路，其信號(hào)總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本底噪聲。系統(tǒng)放大器通常都是寬帶放大器，具有良好的輸入和輸出匹配電路，可以模擬一個(gè)理想的增益模塊。系統(tǒng)放大器的主要指標(biāo)有：增益、輸入和輸出匹配、隔離。由于系統(tǒng)放大器帶寬很寬，負(fù)載可以多種多樣，因此它們的穩(wěn)定性很重要。系統(tǒng)放大器的其他指標(biāo)還包括增益平坦度，1dB壓縮功率，諧波失真和三階互調(diào)等。

功率放大器的多數(shù)指標(biāo)與系統(tǒng)放大器和低噪聲放大器相同，但更強(qiáng)調(diào)功率處理[4]。此外，放大器的有效性也是功率放大器的最常見(jiàn)指標(biāo)之一，這意味著在測(cè)量時(shí)還必須考慮到直流驅(qū)動(dòng)電壓和電流。功率放大器的指標(biāo)通常為其失真特性，包括互調(diào)失真IMD和諧波含量等。

2.3 調(diào)制信號(hào)下的性能參數(shù)分析

隨著通信技術(shù)的更迭演進(jìn)，放大器更多地在高頻、加載調(diào)制信號(hào)的條件下工作，需要測(cè)試在調(diào)制信號(hào)下的矢量幅度誤差(EVM)、相鄰信道功率比(ACPR)、相鄰信道泄漏比(ACLR)及放大器的效率等[5]。目前，數(shù)字預(yù)失真(DPD)、包絡(luò)跟蹤(ET)技術(shù)是優(yōu)化放大器線性度和提高放大效率的常用技術(shù)手段。通過(guò)數(shù)字預(yù)失真測(cè)試，可以定量分析數(shù)字預(yù)失真前后的EVM及ACLR等數(shù)據(jù)，然后在放大器前端增加一個(gè)數(shù)字預(yù)失真器來(lái)提高微波放大器的線性度，從而提升其放大效率，減少失真及帶外泄露等；通過(guò)包絡(luò)跟蹤技術(shù)，根據(jù)調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)給功放供電的電壓，可以提升放大器的放大效率減少熱量損耗等。

3 放大器參數(shù)測(cè)試

根據(jù)放大器的不同應(yīng)用特性，放大器常用的參數(shù)指標(biāo)有：S參數(shù)、增益壓縮、諧波失真、噪聲系數(shù)及數(shù)字矢量調(diào)制誤差特性等。另外，在放大器的研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，數(shù)字預(yù)失真(DPD)、包絡(luò)跟蹤(ET)測(cè)試也非常重要，它能有效提升放大器的線性度和放大效率。

3.1 S參數(shù)測(cè)試

S參數(shù)的測(cè)試框圖如圖1所示，當(dāng)放大器工作在線性區(qū)時(shí)，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)試放大器的增益、輸入匹配、輸出匹配和隔離度等特性。這些測(cè)量工作基本上與傳統(tǒng)上測(cè)量無(wú)源線性器件的方法一樣，即每次都在被測(cè)器件DUT的一個(gè)端口上施加激勵(lì)，然后測(cè)量所產(chǎn)生的各個(gè)反射傳輸信號(hào)，最后計(jì)算出誤差經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的S參數(shù)測(cè)量結(jié)果。但是需要注意的是，這種測(cè)量方法是依賴于被測(cè)器件DUT是一個(gè)線性器件，因此在測(cè)量一個(gè)放大器的S參數(shù)之前，最好先了解放大器的特性，進(jìn)行預(yù)測(cè)試，得到諸如線性工作區(qū)、增益等數(shù)據(jù)。

圖1 S參數(shù)測(cè)試原理框圖

如圖2所示為一個(gè)典型的S參數(shù)測(cè)量圖。大部分情況下，4個(gè)S參數(shù)對(duì)于分析都非常重要。使用多個(gè)窗口顯示有助于同時(shí)觀察放大器多個(gè)測(cè)量結(jié)果。例如，S11和S22經(jīng)常顯示在史密斯圖中，用來(lái)表示輸入/輸出匹配；而S21和S12一般用對(duì)數(shù)幅度表示，S21表示放大器的增益，S12用來(lái)表示放大器的隔離特性。測(cè)量增益時(shí)，一般應(yīng)該同時(shí)測(cè)量輸入和輸出功率。

圖2 S參數(shù)典型測(cè)量圖

3.2 增益壓縮測(cè)試

很多放大器會(huì)工作在非線性狀態(tài)，放大器的非線性特性指標(biāo)，最為基本的就是增益壓縮。放大器的增益壓縮是指輸入功率提高時(shí)增益的衰減，最重要的是增益發(fā)生1dB壓縮時(shí)的功率[6]。

對(duì)于1dB壓縮功率測(cè)量，信號(hào)源+功率計(jì)測(cè)試方案是傳統(tǒng)常用的的測(cè)試方案。原理如圖3所示，在待測(cè)頻點(diǎn)的線性區(qū)施加一定功率值的載波信號(hào)至放大器，在功率計(jì)里測(cè)得輸出功率值，從而計(jì)算得出功率增益，然后逐漸增加源功率輸出，直至功率增益降低1dB為止，此時(shí)輸出的功率為該頻率輸出點(diǎn)的1dB壓縮功率。

圖3 傳統(tǒng)1dB壓縮功率測(cè)試框圖

此外，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以直接測(cè)量1dB壓縮功率。此方法相比于傳統(tǒng)測(cè)試方法更加方便快捷，測(cè)試連接如圖1所示(這里需要注意的是，為防止經(jīng)放大器放大后輸出的功率過(guò)時(shí)高燒毀網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收端口，我們需要在接收端口處增加一個(gè)相應(yīng)衰減值的衰減器)。設(shè)定測(cè)試壓縮的起始頻點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)為功率掃描模式，并把游標(biāo)的頻率值作為功率掃描的固定頻率，就得到了一個(gè)從線性到非線性區(qū)域的功率掃描軌跡，如圖4所示。圖中還顯示了輸入功率和輸出功率的跡線，可以從S21跡線清楚地看到放大器的增益隨輸入功率的增加發(fā)生了壓縮。通過(guò)Mark點(diǎn)標(biāo)定，我們可以得到當(dāng)增益發(fā)生1dB壓縮時(shí)的輸入輸出功率。

圖4 1dB壓縮功率測(cè)試結(jié)果圖

3.3 失真測(cè)試

放大器的基本特性中有兩類失真：諧波失真和互調(diào)失真[3]。當(dāng)放大器工作在非線性區(qū)域時(shí)會(huì)有失真分量產(chǎn)生，其直接誘因就是放大器發(fā)生了增益壓縮。從時(shí)域上看，增益壓縮會(huì)使一個(gè)單音連續(xù)波射頻信號(hào)的波峰變平，因此產(chǎn)生諧波失真。

3.3.1 放大器的諧波測(cè)試

諧波測(cè)試是采用一個(gè)信號(hào)源作為放大器的激勵(lì)，然后用頻譜儀測(cè)量輸出的功率，在頻譜中顯示測(cè)試的諧波幅度，如圖5所示。為了能直觀顯示諧波失真，并準(zhǔn)確測(cè)量基波和諧波幅度，頻譜儀的掃頻范圍從基波頻率開(kāi)始直到高次諧波頻率，并把掃頻帶寬縮小。如圖6所示為一放大器的諧波測(cè)試結(jié)果圖，Mark點(diǎn)M1為基波幅度，M2、M3分別為二次諧波和三次諧波幅度。

圖5 諧波測(cè)試原理圖

圖6 諧波測(cè)試結(jié)果圖

3.3.2 三階交調(diào)測(cè)試

對(duì)于眾多放大器特別是窄帶放大器來(lái)說(shuō)，重要的失真指標(biāo)就是在雙音激勵(lì)下的三階交調(diào)失真，通常稱之為互調(diào)失真IMD。

交調(diào)是指當(dāng)功率放大器的輸入信號(hào)中包括兩個(gè)及兩個(gè)以上的多頻率時(shí)，由于功率放大器非線性特性的作用，輸出信號(hào)中除原有頻率分量外會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量。這種新頻率分量就是交調(diào)分量，這種失真稱為交調(diào)失真。交調(diào)參數(shù)可利用兩路信號(hào)源以及合路器等完成交調(diào)參數(shù)的測(cè)量，測(cè)試原理如圖7所示[7]。測(cè)試的結(jié)果圖如圖8所示，失真分量越低，說(shuō)明放大器的線性度越好。

圖7 交調(diào)失真參數(shù)測(cè)試原理圖

隨著現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，很多高端的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以直接測(cè)量放大器的三階交調(diào)，其測(cè)試的原理與傳統(tǒng)方法基本一致，在矢網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生兩個(gè)源信號(hào)，合成后加載到被測(cè)件中，然后通過(guò)矢網(wǎng)接收機(jī)接收并通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算程序得出相應(yīng)的三階互調(diào)等參數(shù)。

3.4 功率附加效率PAE測(cè)試

對(duì)于許多放大器來(lái)說(shuō)，效率是一個(gè)至關(guān)重要的功能指標(biāo)，效率是指放大器把消耗的直流功率轉(zhuǎn)化為射頻功率的能力[5]，最通用的表征方式是功率附加效率PAE，其定義如下

(1)

式中：Output_Pwr——被測(cè)放大器的輸出功率，dBm；Input_Pwr——被測(cè)放大器的輸入出功率，dBm；DC_Pwr——直流加載功率，dBm。

如圖3所示，通過(guò)信號(hào)源施加特定輸入功率的信號(hào)至放大器，被測(cè)放大器由直流電源驅(qū)動(dòng)，功率計(jì)端獲取輸出功率，驅(qū)動(dòng)電源處可讀取驅(qū)動(dòng)電壓和電流值，由此可得到其功率附加效率PAE值。

在線性狀態(tài)下工作的放大器的直流功率是恒定的(線性狀態(tài)的定義就是射頻輸入功率低到不會(huì)改變放大器的直流工作點(diǎn))，因此PAE會(huì)隨著輸入功率的增大而提高，直到放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)并開(kāi)始發(fā)生增益壓縮。

3.5 噪聲系數(shù)測(cè)試

雖然很少測(cè)試功率放大器的噪聲系數(shù)，但是對(duì)于用在接收機(jī)中或者其他一些低噪聲應(yīng)用中的放大器來(lái)說(shuō)，噪聲系數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[8]。通常用LNA來(lái)指代低噪聲放大器，其典型增益在(10～20)dB范圍內(nèi)，由許多級(jí)LNA組成的低噪聲模塊可以有更高的增益。

噪聲系數(shù)測(cè)試一般使用噪聲分析儀配套噪聲源探頭測(cè)試，原理框圖如圖9所示，驅(qū)動(dòng)放大器后即可獲得其噪聲系數(shù)等參數(shù)。

圖9 噪聲系數(shù)測(cè)試原理圖

3.6 數(shù)字調(diào)制矢量誤差特性及功率頻譜特性測(cè)試

在研究增益壓縮對(duì)復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的影響時(shí)，誤差矢量幅度(EVM)是一個(gè)很有價(jià)值的參數(shù)，它表示壓縮失真信號(hào)與期望幅度及相位的誤差，既包含幅度誤差也包含相位誤差。

對(duì)于數(shù)字調(diào)制矢量誤差參數(shù)的測(cè)試(如圖10所示)，根據(jù)待測(cè)元器件支持的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式，設(shè)置射頻矢量信號(hào)源和頻譜分析儀的調(diào)制方式，利用信號(hào)源產(chǎn)生特定的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，頻譜分析儀(工作在解調(diào)方式下)對(duì)待測(cè)元器件的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并得到數(shù)字調(diào)制矢量誤差參數(shù)。測(cè)試結(jié)果消除掉測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試路徑引入的數(shù)字調(diào)制矢量誤差即可得到待測(cè)器件引入的調(diào)制矢量誤差。

圖10 調(diào)制矢量幅度誤差及功率頻譜特性測(cè)試原理框圖

功率和頻譜特性參數(shù)測(cè)試，連接方式與圖10基本相同，頻譜分析儀工作在頻譜測(cè)量模式下，進(jìn)行輸出功率、鄰道功率比(ACPR)、鄰道泄漏比(ACLR)等參數(shù)測(cè)量。

3.7 數(shù)字預(yù)失真(DPD)測(cè)試

數(shù)字預(yù)失真線性化(DPD)技術(shù)的原理如圖11所示[9]。由于放大器的非線性特性，隨著輸入功率的增大，放大器的功率放大會(huì)衰減，造成其增益的線性度變差，誤差矢量幅度EVM、鄰道功率泄漏比ACLR等參數(shù)也變差。在放大器前增加一個(gè)預(yù)失真器可以補(bǔ)償功率放大器的非線性特性，使得信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)失真器和功率放大器組成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生很少或沒(méi)有失真，從而達(dá)到線性化的目的。預(yù)失真技術(shù)是一種開(kāi)環(huán)技術(shù)，具有高的穩(wěn)定性，帶寬較寬和成本低等優(yōu)點(diǎn)[7]。

圖11 數(shù)字預(yù)失真原理圖

放大器的數(shù)字預(yù)失真測(cè)試，需要分別測(cè)試不采用DPD和采用DPD得到的EVM和ACLR等數(shù)據(jù)，以便通過(guò)對(duì)比定量分析DPD功能的實(shí)際效果，然后通過(guò)相應(yīng)的算法制備相應(yīng)的數(shù)字預(yù)失真器。

3.8 包絡(luò)跟蹤測(cè)試

由于在通信系統(tǒng)中，數(shù)字調(diào)制信號(hào)具有很高的峰均比，放大器的驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)來(lái)說(shuō)也較高，因此造成放大器的放大效率降低，系統(tǒng)能耗很高，很多能量以熱量的方式浪費(fèi)掉且給系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)也帶來(lái)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)功放的能量分布原理如圖12所示[10]。

圖12 傳統(tǒng)功放工作能量分布原理圖

采用包絡(luò)跟蹤的技術(shù)，根據(jù)射頻信號(hào)的包絡(luò)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)給功放的供電電壓，盡量減少能量的浪費(fèi)，這樣既可以顯著降低系統(tǒng)的功耗又大大地提高了放大器的效率。采用包絡(luò)跟蹤技術(shù)的功放能量分布原理如圖13所示[10]。

圖13 采用包絡(luò)跟蹤技術(shù)的功放能量分布原理圖

包絡(luò)跟蹤測(cè)試如圖14所示，矢量信號(hào)源實(shí)時(shí)產(chǎn)生各種通信制式的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，或加載客戶自定義的ARB文件，加載至被測(cè)放大器中；同時(shí)，矢量信號(hào)源的IQ Analog模塊輸出相應(yīng)的包絡(luò)信號(hào)至直流調(diào)制器。直流可編程電源加載至直流調(diào)制器，直流調(diào)制器串聯(lián)一個(gè)定值電阻后驅(qū)動(dòng)被測(cè)放大器。加裝相應(yīng)IQ輸入選件的頻譜分析儀可以對(duì)直流調(diào)制器輸出的電壓和電流進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，頻譜分析儀對(duì)放大器的頻域特性進(jìn)行測(cè)試，并分析通信標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量(EVM、頻譜誤差等)和功率附加效率等。

圖14 包絡(luò)跟蹤測(cè)試框圖

4 注意事項(xiàng)

在5G微波放大器的測(cè)試過(guò)程中，需要特別注意測(cè)試參數(shù)準(zhǔn)確性把控、測(cè)試儀表及被測(cè)器件的安全防護(hù)。測(cè)試人員需要注意以下注意事項(xiàng)：1)需要初步了解被測(cè)放大器的基本信息，包括驅(qū)動(dòng)電壓、增益、最大輸入功率等，并進(jìn)行預(yù)測(cè)試，需要適配衰減器，以免燒毀放大器和儀表接收端口[2]；2)放大器工作時(shí)熱量較大，需要適配散熱片，以免因熱量太大燒毀放大器；3)為得到最優(yōu)化測(cè)試結(jié)果，測(cè)試儀表需充分熱機(jī)并進(jìn)行端口校準(zhǔn)或自校準(zhǔn)，同時(shí)適配的衰減器需要標(biāo)定被測(cè)頻點(diǎn)的衰減值。4)測(cè)試人員測(cè)試操作時(shí)需佩戴靜電手環(huán)或其他防靜電措施，以免靜電燒壞被測(cè)器件和儀表。

5 結(jié)束語(yǔ)

5G微波放大器作為5G通信系統(tǒng)的核心器件之一，對(duì)其性能參數(shù)的討論研究非常必要。在分析微波放大器性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，闡述其測(cè)試方法和性能優(yōu)化技術(shù)，對(duì)5G微波放大器以及相關(guān)器件的測(cè)試研究工作有一定借鑒作用。此外，5G微波放大器及相關(guān)器件的測(cè)試工作還面臨諸如以下的挑戰(zhàn)：1)被測(cè)器件的封裝形式多樣，很多為芯片級(jí)甚至是在片形式的，而測(cè)試儀表基本上都是同軸端口，這就要求我們配置相應(yīng)的測(cè)試夾具或探針，并且還要克服端口失配的問(wèn)題[2]。2)對(duì)于微波器件的測(cè)試，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)定和測(cè)試要求，其性能一般都是由廠商自行測(cè)試和保證的，性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果的一致性和有效性方面還有提升的空間[7]。