如何表征寬帶大功率放大器

用戶對更高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的需求正在飛速增長，因此業(yè)界需要開發(fā)能夠在更高頻率和更高階調(diào)制方案下實現(xiàn)大信號帶寬的現(xiàn)代化技術(shù)（如高通量衛(wèi)星和 5G 新空口）。然而，帶寬越大，帶給系統(tǒng)的噪聲就越多；調(diào)制方案越高階，則越容易受到噪聲的影響。

適當?shù)男旁氡龋⊿NR）是維持通信鏈路質(zhì)量的關(guān)鍵。您需要提高信號電平并降低系統(tǒng)噪聲，從而保持鏈路的高質(zhì)量。大功率放大器是構(gòu)建射頻（RF）和微波通信系統(tǒng)的重要基石。它們在輸出大功率的同時也會給系統(tǒng)帶來非線性失真。因此，要想打造可靠的設(shè)計和出色的產(chǎn)品，關(guān)鍵是要表征寬帶大功率放大器的非線性特性。

本文重點介紹了如何測量寬帶大功率放大器的失真。探索如何為寬帶應(yīng)用執(zhí)行激勵－響應(yīng)測試，并介紹了一種表征射頻功率放大器的創(chuàng)新方法。

失真測量

激勵－響應(yīng)測量是一種評測失真的簡單方法。它們要求輸入一個激勵測試信號，然后采集輸出的響應(yīng)并進行分析。激勵－響應(yīng)測試可幫助您了解射頻元器件在不同條件下的性能，從而確定最適合的設(shè)計折中方案。激勵－響應(yīng)測試包括互補累積分布函數(shù)（CCDF）、諧波、三階互調(diào)（TOI）、鄰道功率（ACP）和誤差矢量幅度（EVM）等測試。

請按照以下三個步驟來表征您的設(shè)計并進行問題診斷：

? 表征數(shù)字調(diào)制信號。您需要了解仿真波形的功率特征，以便將正確的幅度電平應(yīng)用到信號發(fā)生器上。您可以測量并比較輸入信號和輸出信號的CCDF曲線，查看被測器件（DUT）的輸出是否被壓縮。

? 進行失真測量。通過諧波失真、TOI失真和ACPR等測量來查看失真對頻譜的影響。

? 對調(diào)制信號進行解調(diào)和問題診斷。您可以對設(shè)計進行解調(diào)分析和問題診斷。

接下來，我們將討論如何評測寬帶應(yīng)用中的失真性能——噪聲功率比（NPR）和調(diào)制失真測量。

NPR 測量

NPR 測量能夠?qū)ο到y(tǒng)、子系統(tǒng)和元器件的互調(diào)失真進行客觀和定量的表征。

什么是 NPR ？

NPR 是一種失真測量，有助于確定沒有雜散的最大動態(tài)范圍。在進行NPR測量時，您需要生成條件噪聲并分析噪聲經(jīng)過被測器件后發(fā)生的變化。圖1描繪了NPR的輸入信號、輸出信號和測量結(jié)果。NPR輸入信號包含加性高斯白噪聲，使用陷波濾波器去除了一部分頻譜。具有非線性特性的被測器件會導(dǎo)致被測器件輸出端的頻譜陷波內(nèi)產(chǎn)生失真分量（紫色區(qū)域）。NPR是通帶內(nèi)所有互調(diào)產(chǎn)物之和與陷波中所有互調(diào)產(chǎn)物之和的比值。

圖1. 射頻功率放大器的NPR測量結(jié)果

要獲得準確的NPR測量結(jié)果，激勵信號（輸入信號）的陷波必須深而尖，信號分析儀必須具有高動態(tài)范圍。這些步驟確保測得的失真是來自被測器件，而不是來自信號發(fā)生器和信號分析儀本身。

多音頻失真法

深而尖的陷波濾波器可能很難獲得。您也可以使用一個信號分析儀創(chuàng)建大量音頻來仿真寬帶噪聲，然后禁用部分音頻來生成陷波。不過，這些音頻也會在信號發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物，您需要采用先進的校正程序來抑制帶內(nèi)和帶外的失真產(chǎn)物。

圖2顯示的多音頻失真軟件設(shè)置將會生成 100 MHz 帶寬多音頻信號，其中包含 1,001 個音頻，音頻間隔為100 kHz。在偏離NPR測試中心頻率10 MHz 處有一 個 10 MHz 陷波。圖3顯示了頻譜分析儀的測量結(jié)果。在 9.8 MHz 掃寬下，陷波處的噪聲功率為 -43.18 dBm。

圖2. 用于 NPR 測試的多音頻信號生成設(shè)置

圖3. 使用 PXA 信號分析儀進行 NPR 測量

一旦多音頻生成軟件工具激活校正程序，頻譜分析儀就會測量陷波區(qū)域內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物。然后，該工具會重新計算并將校正后的多音頻波形下載到信號發(fā)生器中，從而最大限度減少互調(diào)產(chǎn)物。校正過程會重復(fù)進行，直到互調(diào)產(chǎn)物低于目標抑制水平。圖4 顯示，校正后的噪聲功率下降到了-60.29 dBm（改善了 17 dB）。先進校正功能可以改善信號發(fā)生器導(dǎo)致的互調(diào)產(chǎn)物。您可以將校正面擴展到被測器件的輸入端口，包括測試夾具中額外的有源元器件（如外部功率放大器）。

圖4. 改善 NPR 測試信號的陷波深

與模擬方法評測放大器和其他通信器件中的互調(diào)失真影響相比，這種確定 NPR 的數(shù)字方法由于能夠為 NPR 測量生成精確且可重復(fù)的激勵信號，在很多方面都更勝一籌。校準后幅度平坦且準確的信號、可預(yù)測且可重復(fù)的尖銳頻譜形狀、可以改善陷波深度的校正能力以及將測量面擴展到被測器件等都讓數(shù)字方法更有優(yōu)勢。

調(diào)制失真測量

如圖5所示，在表征射頻寬帶元器件時，當前常用的方法是使用兩種儀器——矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和信號發(fā)生器（SG）加上信號分析儀（SA）進行激勵－響應(yīng)測試。VNA系統(tǒng)可提供S參數(shù)、增益壓縮、TOI和噪聲系數(shù)測量，表征射頻元器件的基本特征。SA+SG系統(tǒng)可提供CCDF、ACP、EVM和NPR測量。您需要在兩個測試系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)移被測器件，才能完成所有測試項目并校準系統(tǒng)，獲得準確、可重復(fù)的測量結(jié)果。

圖5. 表征射頻寬帶元器件的性能

新調(diào)制失真方法只需單次連接，便可使用 VNA 和矢量信號發(fā)生器（VSG）對射頻放大器進行完整和準確的表征。這種方法充分利用 VNA 的體系結(jié)構(gòu)在被測器件的輸入端和輸出端進行失真測量（圖6）。測試系統(tǒng)可持續(xù)測量輸入信號和輸出信號。它還會計算頻譜相關(guān)性，從而能夠?qū)⑤敵鲱l譜分解為線性相關(guān)頻譜和非線性失真頻譜。

圖6.  調(diào)制失真測量方框圖