5個(gè)小貼士，提升功率放大器（PA）設計驗證效率
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功率放大器（PA），在移動(dòng)設備中的重要性不言而喻，尤其是隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)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://dyxdggzs.com/article/202205/433791.htm? 如何真實(shí)地反映PA本身的EVM指標？
? 為什么經(jīng)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(shí)的工作中常遇到的困擾，基于此，我們總結了經(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(zhuān)業(yè)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(shí)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(gè)難題，最重要是獲得準確的仿真模型，包括大信號，非線(xiàn)性，寬帶模型；也包括無(wú)源器件，電路走線(xiàn)，接頭的準確模型。
針對非線(xiàn)性模型，可以使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀提取器件的X參數對非線(xiàn)性模型。針對無(wú)源器件，走線(xiàn)，接頭等模型提取，通過(guò)設計夾具，去嵌入，對元件模型進(jìn)行測試提取。使用實(shí)測模型進(jìn)行仿真，多次迭代，最終仿真與測試一致。
圖|利用ADS進(jìn)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(guò)儀表，搭建半實(shí)物測試系統，如下圖，將設計完成的PA實(shí)物通過(guò)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|是德科技半實(shí)物測試系統示意圖
問(wèn)題2 測試時(shí)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(huì )嚴重影響最終的測試結果。
如下圖是我們做過(guò)的一個(gè)原型機試驗，采用基于5G候選波形FBMC調制，通過(guò)寬帶矢量源生成的一個(gè)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(xiàn)可以看出整個(gè)頻率范圍內不同頻率成分的幅度波動(dòng)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(gè)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(shí)現較高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射頻測試，就會(huì )嚴重影響測試EVM的準確度。
圖|未校正的超寬帶調制信號示例
小貼士
對測試平臺進(jìn)行寬帶校正補償
方法1，儀器預置校正數據。出廠(chǎng)前對儀表自身的寬帶失真進(jìn)行測量并且將校正數據存儲在儀表里面，在測試時(shí)儀表根據頻率和帶寬自動(dòng)應用校正數據，無(wú)需額外的校正操作即可進(jìn)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(chǎng)對儀表進(jìn)行寬度校正，實(shí)時(shí)產(chǎn)生校正數據補償到儀表中，使儀表的EVM達到最優(yōu)。對信號源和分析儀以及外部器件進(jìn)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(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，所以目前應用這種方式總是能在現場(chǎng)實(shí)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(yōu)解。
? 信號生成部分，M9384B VXG 微波信號發(fā)生器內置校準功能，輸出信號校準到端口，通過(guò)用戶(hù)自定義的自動(dòng)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(xiàn)纜轉接頭等外部附件帶來(lái)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|外部校準方法示意（針對線(xiàn)性失真）
問(wèn)題3 測量EVM一致性差
測試附件，諸如轉接頭和線(xiàn)纜的選擇，是PA及寬帶收發(fā)測試中很容易被忽略的環(huán)節，而在實(shí)際的測試中，測試附件會(huì )對結果產(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)量的轉接頭和電纜，以保證測試一致性。
方法2，在選用高質(zhì)量測試附件的同時(shí)，采用現場(chǎng)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(wèn)題4 加入驅動(dòng)放大后EVM惡化嚴重
在測試大功率PA時(shí)經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題就是驅動(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PA輸入端加一個(gè)驅動(dòng)放大器，下圖是一個(gè)實(shí)際測試連接框圖：
圖|5G大功率PA測試EVM連接框圖
除了用于5G寬帶信號產(chǎn)生和分析的信號源和分析儀外，驅動(dòng)放大器自身也給測試帶來(lái)很大影響。雖然一般采用的驅動(dòng)放大器都是寬帶線(xiàn)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(xiàn)性區，非線(xiàn)性失真很小，其仍然存在線(xiàn)性失真，驅動(dòng)放大器本身的幅頻響應和相頻響應波動(dòng)仍然對EVM產(chǎn)生較大的影響。
我們實(shí)際測試中發(fā)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(jīng)校正到0.8%，但是經(jīng)過(guò)驅動(dòng)放大器之后，EVM會(huì )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(guò)了廠(chǎng)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(dòng)放大器的整體EVM達到1%左右，這樣再連接被測PA進(jìn)行EVM測試，就獲得了比較理想的結果，因為這時(shí)驅動(dòng)放大器的線(xiàn)性失真不會(huì )對測試產(chǎn)生影響。
圖|基于RCal的外部校正方法解決驅動(dòng)放大器影響EVM測試問(wèn)題
問(wèn)題5 在片測試時(shí)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(jìn)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(jìn)行測量。
多套系統完成測試需要多次下針，也會(huì )在PAD上留下痕跡 ，對測試效率及精度都會(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，對測試板及探針是個(gè)極大的損耗，而且每次測量，都需要重新校準，費時(shí)費力。
圖|多次下針后，PAD上留下明顯痕跡
小貼士
采用單次連接，多次測量的方式，即一次性連接被測器件，用一套系統完成原來(lái)多個(gè)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(wǎng)絡(luò )分析儀可以方便的實(shí)現只用一組連接對有源或無(wú)源器件進(jìn)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(yǔ)
PA設計與驗證涉及到諸多內容，研發(fā)端與生產(chǎn)端的測試方法也不盡相同，除了上述提到的幾點(diǎn)，還有很多需要注意的地方：
? 比如在設計時(shí)如果不事先預留測試點(diǎn)，后期便會(huì )出現需要通過(guò)“飛線(xiàn)”等手段引出信號進(jìn)行驗證；
? 比如需調整電路工作在線(xiàn)性區，否則易出現非線(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 )導致很大的測試誤差；
? 以及采用先進(jìn)算法包括DPD，CFR以及包絡(luò )跟蹤（ET）等。
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