數字調制系統中進(jìn)行的高精確度非線(xiàn)性測量

如今的數字通信射頻組件的設計活動(dòng)越來(lái)越廣泛，是伴隨著(zhù)日益增加的智能手機和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)3G覆蓋范圍以及4G系統即將引入帶來(lái)的持續壓力。PA設計工程師面對的首要問(wèn)題是功率所增加的效率(PAE)，設計活動(dòng)的前沿在于功率放大器(PA)的開(kāi)發(fā)。高PAE意味著(zhù)： 基站天線(xiàn)覆蓋面最大化，網(wǎng)絡(luò )提供商的電費降低; 移動(dòng)設備的電池壽命增加; 能夠以更高的價(jià)格出售性能更高的器件，最終實(shí)現每晶圓片更高的收益回報。

數字調制方案(如PSK、QAM以及OFDM)可實(shí)現高峰均比(PAR)的調制射頻載波。PA設計工程師必須考慮放大具有高PAR的通信信號的后果，同時(shí)保持線(xiàn)性和可接受的誤差矢量幅值(EVM)率。線(xiàn)性矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)提供關(guān)于線(xiàn)性條件下工作的功率放大器性能的基本信息。然而，當PA設計用于高功率級的壓縮非線(xiàn)性工作時(shí)，VNA必須提供額外數據。

VNA能夠測量主動(dòng)和被動(dòng)器件及系統的S參數。測量主動(dòng)器件時(shí)，測量在線(xiàn)性增益小型信號器件上進(jìn)行。測量小型信號放大器時(shí)，Anritsu(安立)的線(xiàn)性VectorStar VNA可提供內置功能，全面分析主動(dòng)器件。表1概列了VectorStar MS4640A系列的性能。

非線(xiàn)性VNA的一個(gè)重要功能在于不僅可測量諧波含量，還可測量基頻信號，提供性能數據，從而有助于實(shí)現最佳的非線(xiàn)性PA設計。此外，非線(xiàn)性分析的一個(gè)關(guān)鍵要素是負載牽引測量，尤其是諧波負載牽引的測量。負載牽引分析對于適當提升主動(dòng)器件的性能十分必要。為優(yōu)化非線(xiàn)性器件性能，提供給器件的匹配必須在基頻和諧波頻率方面均加以?xún)?yōu)化。

表1 VectorStar MS4640A系列性能

Anritsu/HFE 非線(xiàn)性 VectorStar VNA

VectorStar非線(xiàn)性系統提供可選被動(dòng)或主動(dòng)調諧器。主動(dòng)調諧器的重要優(yōu)勢在于，能夠對被測器件(DUT)提供全范圍負載，確保最佳性能。這對于非線(xiàn)性器件尤為重要，因為很多級別的非線(xiàn)性運行要求諧波反射伽瑪為 1，以實(shí)現最佳性能(圖1)。

圖 1 非線(xiàn)性VectorStar工作示意圖

為什么選擇非線(xiàn)性器件?

非線(xiàn)性功率放大器的設計從晶片級開(kāi)始。片上器件最終嵌入一個(gè)50Ω系統。片上主動(dòng)器件的輸入阻抗并非50Ω，而大多數高功率器件的輸出阻抗通常在1 到2Ω之間。為將片上器件的輸入和輸出轉換至50Ω系統，需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )。由于器件諧波含量大，匹配網(wǎng)絡(luò )必須包括基頻和諧波頻率組件的最佳匹配。提供關(guān)于相對于源和負載阻抗的器件性能的信息是非線(xiàn)性VNA測量系統的主要目標。因此，負載牽引流程是非線(xiàn)性測量系統的核心。

典型的負載牽引系統將耦合器定位于調諧器外部，監控器件隨調諧器阻抗變化的功率輸出。此方法要求預先校準調諧器。典型負載牽引設置的測量精度取決于校準后調諧器、電纜和接頭的可重復性。這種傳統配置內的調諧器由供應商提供的校準和控制軟件進(jìn)行控制，存在調諧器軟件與非線(xiàn)性 VNA軟件之間關(guān)系復雜的問(wèn)題。由于很多器件需要進(jìn)行大面積史密斯圖表調諧，校準往往需要數小時(shí)。

通過(guò)在DUT和調諧器之間插入一個(gè)超低損耗耦合器，Anritsu/HFE 系統重新定義負載牽引測量。由于VectorStar系統將耦合器定位于DUT旁，因此可實(shí)現DUT源和負載阻抗的高精度測量。此外，還提供了同時(shí)實(shí)時(shí)監控阻抗和DUT性能的方法，實(shí)現回應即時(shí)顯示和實(shí)時(shí)調諧。該方法也避免了需要預先校準的麻煩。

圖2 相對諧波負載阻抗的PAE性能典型標繪

諧波負載牽引的需要

圖2是相對于諧波負載阻抗的PAE性能的典型標繪?？煽吹?，隨著(zhù)第二諧波在一個(gè)特定相角終止，PAE得以?xún)?yōu)化。而且，最佳PAE和最小PAE彼此十分相近。這也是諧波負載牽引對于優(yōu)化設計至為關(guān)鍵的另一原因。它不僅可確定最佳PAE、增益和最大功率的位置，還可識別應避免的區域。此情況下，若設計限制導致匹配網(wǎng)絡(luò )變化達50

Anritsu/HFE 主動(dòng)調諧器為非線(xiàn)性器件提供最佳伽瑪

Anritsu/HFE非線(xiàn)性系統可使用被動(dòng)或主動(dòng)調諧器安裝。配置Anritsu/HFE主動(dòng)回路調諧器后，可在DUT端口實(shí)現高達1的伽瑪。圖 3為主動(dòng)回路調諧器配置的一個(gè)實(shí)例。請注意，被動(dòng)和主動(dòng)調諧器可組合應用，在預算允許時(shí)，可分階段從被動(dòng)調諧器升級至主動(dòng)調諧器。

圖3 主動(dòng)回路調諧器配置實(shí)例

負載牽引分析和模型模擬

負載牽引分析提供實(shí)際條件下工作器件的測量數據。假定器件代表同一晶片(以及后續晶片)上所有器件的典型性能，則該測量數據可用于為器件產(chǎn)品設計最佳網(wǎng)絡(luò )。另外，該數據可導出到EDA程序，用于創(chuàng )建、運行或改善模型。

OpenWave開(kāi)放標準數據格式

由于非線(xiàn)性測量可得到大量數據，因此，數據應適當格式化，使其便于存儲、打開(kāi)和查看，以靈活的方式組織，易于共享。創(chuàng )建非線(xiàn)性開(kāi)放標準數據格式正是為實(shí)現這些目標。OpenWave 論壇(OWF)是由射頻和微波公司組成的協(xié)會(huì )，旨在為大型信號非線(xiàn)性模擬、測量和建模合作開(kāi)發(fā)、創(chuàng )建和推廣統一透明的數據交換格式。作為該論壇創(chuàng )始成員之一的Anritsu和HFE將參與確定該開(kāi)放標準，并將其要求整合進(jìn)MMSNT_LP軟件。

MMSNT_LP軟件架構設計為多文件多視圖應用軟件。每個(gè)文件代表一個(gè)特定的測量任務(wù)。得益于前述設計，該軟件能夠在一個(gè)屏幕上同時(shí)顯示功率掃描曲線(xiàn)、時(shí)間域波形、負載牽引等高線(xiàn)圖、眼狀圖以及I/V參數。每個(gè)文件都可控制主應用程序菜單和工具條的呈現，從而實(shí)現友好的用戶(hù)界面。各個(gè)測量由相應窗口觸發(fā)和更新。

校準選擇

非線(xiàn)性系統的校準由MMSNT_LP軟件控制。使用的校準技術(shù)基于計算機對拓樸條件的分析，能夠產(chǎn)生優(yōu)化的標準序列，引導用戶(hù)完成校準程序。廣泛的校準選件能夠為給定的接頭情況提供最佳的精度選擇。

微差測量

主動(dòng)回路模塊的另一個(gè)優(yōu)勢在于能夠為差微器件的負載牽引測量升級系統。由于能夠主動(dòng)監控器件的實(shí)時(shí)阻抗，因此也可主動(dòng)獨立地將器件輸入調諧至特定位置。對于差微器件，這意味著(zhù)可主動(dòng)控制差分輸入，并調諧處于不同源和負載條件下的器件。圖4為典型微差設置的方塊圖。

圖4 典型微差設置方塊圖

總結

Anritsu/HFE VectorStar 非線(xiàn)性測量系統能夠為非線(xiàn)性器件提供靈活、強大而經(jīng)濟的負載牽引分析。該系統能夠實(shí)現輕松的非線(xiàn)性測量，同時(shí)提供獨特的負載牽引測量能力?？煞蛛A段實(shí)施升級，實(shí)現一個(gè)包括提供真正平衡微差測量的多諧波主動(dòng)回路非線(xiàn)性負載牽引測量系統。