5個(gè)小貼士，提升功率放大器（PA）設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率
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功率放大器（PA），在移動(dòng)設(shè)備中的重要性不言而喻，尤其是隨著通信技術(shù)的發(fā)展，5G，WiFi 6/6E，UWB等寬帶制式對(duì)功放提出了更高的要求，更復(fù)雜的調(diào)制方式，更高的調(diào)制階數(shù)，更多的載波聚合，更高的頻段與帶寬，使得測(cè)試驗(yàn)證的復(fù)雜度也隨之提高。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202205/433791.htm? 如何提高PA的設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率？
? 如何真實(shí)地反映PA本身的EVM指標(biāo)？
? 為什么經(jīng)常遇到不同的測(cè)試儀表平臺(tái)的EVM測(cè)試結(jié)果有很大差別？
相信這些都是大家在平時(shí)的工作中常遇到的困擾，基于此，我們總結(jié)了經(jīng)常會(huì)遇到的5個(gè)典型問(wèn)題，以及解決問(wèn)題的小貼士，小伙伴們，來(lái)看看這些易踩的“坑”，你都成功避過(guò)了嗎？
問(wèn)題1 設(shè)計(jì)仿真階段模型不準(zhǔn)
寬帶高頻PA的設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要借助專(zhuān)業(yè)的仿真工具完成。對(duì)設(shè)計(jì)師而言，PA仿真面臨兩大難題：
一是如何獲得與實(shí)測(cè)一致準(zhǔn)確的仿真結(jié)果；
二是在PA設(shè)計(jì)完成后，模型如何用于后續(xù)的系統(tǒng)驗(yàn)證或DPD算法驗(yàn)證。
小貼士
要解決這兩個(gè)難題，最重要是獲得準(zhǔn)確的仿真模型，包括大信號(hào)，非線(xiàn)性，寬帶模型；也包括無(wú)源器件，電路走線(xiàn)，接頭的準(zhǔn)確模型。
針對(duì)非線(xiàn)性模型，可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取器件的X參數(shù)對(duì)非線(xiàn)性模型。針對(duì)無(wú)源器件，走線(xiàn)，接頭等模型提取，通過(guò)設(shè)計(jì)夾具，去嵌入，對(duì)元件模型進(jìn)行測(cè)試提取。使用實(shí)測(cè)模型進(jìn)行仿真，多次迭代，最終仿真與測(cè)試一致。
圖|利用ADS進(jìn)行寬帶功放設(shè)計(jì)
針對(duì)系統(tǒng)驗(yàn)證或DPD算法驗(yàn)證，還需要考慮寬帶器件的記憶效應(yīng)，可以使用ADS仿真軟件，生成FCE模型，用于后續(xù)的系統(tǒng)驗(yàn)證或DPD算法驗(yàn)證。也可以通過(guò)儀表，搭建半實(shí)物測(cè)試系統(tǒng)，如下圖，將設(shè)計(jì)完成的PA實(shí)物通過(guò)儀表與系統(tǒng)軟件連接，直接完成系統(tǒng)性能驗(yàn)證或DPD算法驗(yàn)證。
圖|是德科技半實(shí)物測(cè)試系統(tǒng)示意圖
問(wèn)題2 測(cè)試時(shí)EVM失真嚴(yán)重
現(xiàn)代通訊對(duì)射頻系統(tǒng)的帶寬和工作頻段都提出了苛刻的要求，尤其對(duì)于毫米波和超寬帶功放而言，測(cè)試平臺(tái)所引入的失真和誤差會(huì)嚴(yán)重影響最終的測(cè)試結(jié)果。
如下圖是我們做過(guò)的一個(gè)原型機(jī)試驗(yàn)，采用基于5G候選波形FBMC調(diào)制，通過(guò)寬帶矢量源生成的一個(gè)載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬達(dá)4GHz的原始信號(hào)，其物理層調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了10-20Gbps。
從頻譜曲線(xiàn)可以看出整個(gè)頻率范圍內(nèi)不同頻率成分的幅度波動(dòng)很大，遠(yuǎn)離中心頻率的頻率分離衰減增大，呈現(xiàn)明顯的幅度不平坦，因?yàn)樾盘?hào)是由很多個(gè)子載波構(gòu)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(dǎo)致EVM下降。
雖然原型機(jī)平臺(tái)可以依靠接收機(jī)信道均衡和糾錯(cuò)等措施仍然可以實(shí)現(xiàn)較高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射頻測(cè)試，就會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試EVM的準(zhǔn)確度。
圖|未校正的超寬帶調(diào)制信號(hào)示例
小貼士
對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行寬帶校正補(bǔ)償
方法1，儀器預(yù)置校正數(shù)據(jù)。出廠前對(duì)儀表自身的寬帶失真進(jìn)行測(cè)量并且將校正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀表里面，在測(cè)試時(shí)儀表根據(jù)頻率和帶寬自動(dòng)應(yīng)用校正數(shù)據(jù)，無(wú)需額外的校正操作即可進(jìn)行測(cè)試。（注：該方法必須儀器支持內(nèi)置校準(zhǔn)功能）
方法2，系統(tǒng)外部校正。使用校準(zhǔn)器在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀表進(jìn)行寬度校正，實(shí)時(shí)產(chǎn)生校正數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)絻x表中，使儀表的EVM達(dá)到最優(yōu)。對(duì)信號(hào)源和分析儀以及外部器件進(jìn)行獨(dú)立的校正，校正數(shù)據(jù)即可以應(yīng)用到儀表測(cè)試端口，也可以包含測(cè)試中使用的外部附件或射頻器件模塊一起校正，校正數(shù)據(jù)可以應(yīng)用到被測(cè)件的輸入或輸出端口，而且現(xiàn)場(chǎng)的各種環(huán)境和工作條件產(chǎn)生的影響也會(huì)被包括在校正操作中，所以目前應(yīng)用這種方式總是能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)儀表最佳的EVM特性。
是德科技的測(cè)試平臺(tái)，提供了結(jié)合上述兩種方案的最優(yōu)解。
? 信號(hào)生成部分，M9384B VXG 微波信號(hào)發(fā)生器內(nèi)置校準(zhǔn)功能，輸出信號(hào)校準(zhǔn)到端口，通過(guò)用戶(hù)自定義的自動(dòng)通道相應(yīng)校正和S參數(shù)去嵌入，將信號(hào)校準(zhǔn)面延伸到PA輸入端面；
? 信號(hào)分析部分，采用U9361 RCal接收機(jī)校準(zhǔn)儀去除線(xiàn)纜轉(zhuǎn)接頭等外部附件帶來(lái)的頻率響應(yīng)，將信號(hào)校準(zhǔn)面延伸至PA輸出端面，如下圖，是目前推薦使用的方法。
圖|外部校準(zhǔn)方法示意（針對(duì)線(xiàn)性失真）
問(wèn)題3 測(cè)量EVM一致性差
測(cè)試附件，諸如轉(zhuǎn)接頭和線(xiàn)纜的選擇，是PA及寬帶收發(fā)測(cè)試中很容易被忽略的環(huán)節(jié)，而在實(shí)際的測(cè)試中，測(cè)試附件會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，尤其是毫米波頻段使用的線(xiàn)纜和接頭，相對(duì)于6GHz以下的低頻段，一般存在更大的線(xiàn)性失真和不平坦性。
小貼士
方法1，選用高質(zhì)量的轉(zhuǎn)接頭和電纜，以保證測(cè)試一致性。
方法2，在選用高質(zhì)量測(cè)試附件的同時(shí)，采用現(xiàn)場(chǎng)外部校正的方式，把測(cè)試附件的誤差包含在校正數(shù)據(jù)里面，去除這些部分的影響，具體方法參考前文。
問(wèn)題4 加入驅(qū)動(dòng)放大后EVM惡化嚴(yán)重
在測(cè)試大功率PA時(shí)經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題就是驅(qū)動(dòng)放大，由于大功率PA往往需要較高的Pin，而毫米波矢量信號(hào)源的最佳線(xiàn)性輸出電平通常低于要求，所以往往需要在被測(cè)PA輸入端加一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器，下圖是一個(gè)實(shí)際測(cè)試連接框圖：
圖|5G大功率PA測(cè)試EVM連接框圖
除了用于5G寬帶信號(hào)產(chǎn)生和分析的信號(hào)源和分析儀外，驅(qū)動(dòng)放大器自身也給測(cè)試帶來(lái)很大影響。雖然一般采用的驅(qū)動(dòng)放大器都是寬帶線(xiàn)性放大器，只要設(shè)置合適的輸入和輸出功率區(qū)間，放大器工作在線(xiàn)性區(qū)，非線(xiàn)性失真很小，其仍然存在線(xiàn)性失真，驅(qū)動(dòng)放大器本身的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波動(dòng)仍然對(duì)EVM產(chǎn)生較大的影響。
我們實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在26GHz-29GHz頻率范圍，800MHz調(diào)制帶寬條件下，信號(hào)源本身輸出信號(hào)的EVM已經(jīng)校正到0.8%，但是經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器之后，EVM會(huì)惡化到最大3%-4%，這不僅導(dǎo)致最終被測(cè)PA輸出信號(hào)的EVM很高，而且甚至超過(guò)了廠家對(duì)系統(tǒng)級(jí)EVM的要求。
小貼士
采用前文中提到的外部校準(zhǔn)方法，如下圖，使信號(hào)源加驅(qū)動(dòng)放大器的整體EVM達(dá)到1%左右，這樣再連接被測(cè)PA進(jìn)行EVM測(cè)試，就獲得了比較理想的結(jié)果，因?yàn)檫@時(shí)驅(qū)動(dòng)放大器的線(xiàn)性失真不會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響。
圖|基于RCal的外部校正方法解決驅(qū)動(dòng)放大器影響EVM測(cè)試問(wèn)題
問(wèn)題5 在片測(cè)試時(shí)多次下針導(dǎo)致低效及損耗
高集成度的PAFEM在片測(cè)量中，需要對(duì)諸多參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，諸如S 參數(shù)、噪聲系數(shù)、互調(diào)失真、壓縮，脈沖射頻測(cè)量等，而不同的參數(shù)通常需要用不同的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。
多套系統(tǒng)完成測(cè)試需要多次下針，也會(huì)在PAD上留下痕跡 ，對(duì)測(cè)試效率及精度都會(huì)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(duì)測(cè)試板及探針是個(gè)極大的損耗，而且每次測(cè)量，都需要重新校準(zhǔn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
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(cè)量的方式，即一次性連接被測(cè)器件，用一套系統(tǒng)完成原來(lái)多個(gè)系統(tǒng)才能完成的工作，可以減少連接復(fù)雜性和工作量。目前，是德科技的PNA-X系列高性能網(wǎng)絡(luò)分析儀可以方便的實(shí)現(xiàn)只用一組連接對(duì)有源或無(wú)源器件進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量：S 參數(shù)、噪聲系數(shù)、增益壓縮、THD、IMD 和頻譜分析。
結(jié)語(yǔ)
PA設(shè)計(jì)與驗(yàn)證涉及到諸多內(nèi)容，研發(fā)端與生產(chǎn)端的測(cè)試方法也不盡相同，除了上述提到的幾點(diǎn)，還有很多需要注意的地方：
? 比如在設(shè)計(jì)時(shí)如果不事先預(yù)留測(cè)試點(diǎn)，后期便會(huì)出現(xiàn)需要通過(guò)“飛線(xiàn)”等手段引出信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證；
? 比如需調(diào)整電路工作在線(xiàn)性區(qū)，否則易出現(xiàn)非線(xiàn)性失真，那就需要考慮通過(guò)額外的算法來(lái)消除其影響；
? 比如外圍電路不匹配會(huì)導(dǎo)致很大的測(cè)試誤差；
? 以及采用先進(jìn)算法包括DPD，CFR以及包絡(luò)跟蹤（ET）等。
評(píng)論