如何提高PA的設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率

功率放大器（PA），在移動設(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，使得測試驗(yàn)證的復(fù)雜度也隨之提高。

? 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)常遇到不同的測試儀表平臺的EVM測試結(jié)果有很大差別？

相信這些都是大家在平時的工作中常遇到的困擾，基于此，我們總結(jié)了經(jīng)常會遇到的5個典型問題，以及解決問題的小貼士，小伙伴們，來看看這些易踩的“坑”，你都成功避過了嗎？

# 問題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，需要借助專業(yè)的仿真工具完成。對設(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

要解決這兩個難題，最重要是獲得準(zhǔn)確的仿真模型，包括大信號，非線性，寬帶模型；也包括無源器件，電路走線，接頭的準(zhǔn)確模型。

針對非線性模型，可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取器件的X參數(shù)對非線性模型。針對無源器件，走線，接頭等模型提取，通過設(shè)計(jì)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。

文末的資料“Broadband Power Amplifier Design and Validation”中，詳細(xì)介紹了如何借助ADS進(jìn)行寬帶功放設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，如下圖：

針對系統(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。也可以通過儀表，搭建半實(shí)物測試系統(tǒng)，如下圖，將設(shè)計(jì)完成的PA實(shí)物通過儀表與系統(tǒng)軟件連接，直接完成系統(tǒng)性能驗(yàn)證或DPD算法驗(yàn)證。

# 問題2 #

測試時EVM失真嚴(yán)重

現(xiàn)代通訊對射頻系統(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嚴(yán)重影響最終的測試結(jié)果。

如下圖是我們做過的一個原型機(jī)試驗(yàn)，采用基于5G候選波形FBMC調(diào)制，通過寬帶矢量源生成的一個載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬達(dá)4GHz的原始信號，其物理層調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了10-20Gbps。

從頻譜曲線可以看出整個頻率范圍內(nèi)不同頻率成分的幅度波動很大，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)樾盘柺怯珊芏鄠€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)平臺可以依靠接收機(jī)信道均衡和糾錯等措施仍然可以實(shí)現(xiàn)較高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射頻測試，就會嚴(yán)重影響測試EVM的準(zhǔn)確度。

小貼士

對測試平臺進(jìn)行寬帶校正補(bǔ)償

方法1，儀器預(yù)置校正數(shù)據(jù)。出廠前對儀表自身的寬帶失真進(jìn)行測量并且將校正數(shù)據(jù)存儲在儀表里面，在測試時儀表根據(jù)頻率和帶寬自動應(yīng)用校正數(shù)據(jù)，無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(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)場對儀表進(jìn)行寬度校正，實(shí)時產(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)。對信號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(shù)據(jù)可以應(yīng)用到被測件的輸入或輸出端口，而且現(xiàn)場的各種環(huán)境和工作條件產(chǎn)生的影響也會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)場實(shí)現(xiàn)儀表最佳的EVM特性。

是德科技的測試平臺，

提供了結(jié)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(nèi)置校準(zhǔn)功能，輸出信號校準(zhǔn)到端口，通過用戶自定義的自動通道相應(yīng)校正和S參數(shù)去嵌入，將信號校準(zhǔn)面延伸到PA輸入端面；

? 信號分析部分，采用U9361 RCal接收機(jī)校準(zhǔn)儀去除線纜轉(zhuǎn)接頭等外部附件帶來的頻率響應(yīng)，將信號校準(zhǔn)面延伸至PA輸出端面，如下圖，是目前推薦使用的方法。

關(guān)于Rcal的詳細(xì)用法，可參考文末資料“Rcal使用指南”。

# 問題3 #

測量EVM一致性差

測試附件，諸如轉(zhuǎn)接頭和線纜的選擇，是PA及寬帶收發(fā)測試中很容易被忽略的環(huán)節(jié)，而在實(shí)際的測試中，測試附件會對結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，尤其是毫米波頻段使用的線纜和接頭，相對于6GHz以下的低頻段，一般存在更大的線性失真和不平坦性。

小貼士

方法1，選用高質(zhì)量的轉(zhuǎn)接頭和電纜，以保證測試一致性。

方法2，在選用高質(zhì)量測試附件的同時，采用現(xiàn)場外部校正的方式，把測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。

# 問題4 #

加入驅(qū)動放大后EVM惡化嚴(yán)重

在測試大功率PA時經(jīng)常遇到的一個問題就是驅(qū)動放大，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輸入端加一個驅(qū)動放大器，下圖是一個實(shí)際測試連接框圖：

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(qū)動放大器自身也給測試帶來很大影響。雖然一般采用的驅(qū)動放大器都是寬帶線性放大器，只要設(shè)置合適的輸入和輸出功率區(qū)間，放大器工作在線性區(qū)，非線性失真很小，其仍然存在線性失真，驅(qū)動放大器本身的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波動仍然對EVM產(chǎn)生較大的影響。

我們實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，在26GHz-29GHz頻率范圍，800MHz調(diào)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)過驅(qū)動放大器之后，EVM會惡化到最大3%-4%，這不僅導(dǎo)致最終被測PA輸出信號的EVM很高，而且甚至超過了廠家對系統(tǒng)級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，使信號源加驅(qū)動放大器的整體EVM達(dá)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(jié)果，因?yàn)檫@時驅(qū)動放大器的線性失真不會對測試產(chǎn)生影響。

# 問題5 #

在片測試時多次下針導(dǎo)致低效及損耗

高集成度的PAFEM在片測量中，需要對諸多參數(shù)進(jìn)行測量，諸如S 參數(shù)、噪聲系數(shù)、互調(diào)失真、壓縮，脈沖射頻測量等，而不同的參數(shù)通常需要用不同的系統(tǒng)進(jìn)行測量。

多套系統(tǒng)完成測試需要多次下針，也會在PAD上留下痕跡 ，對測試效率及精度都會造成不同程度的影響，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極大的損耗，而且每次測量，都需要重新校準(zhǔn)，費(fèi)時費(fèi)力。

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(tǒng)完成原來多個系統(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)只用一組連接對有源或無源器件進(jìn)行多項(xiàng)測量：S 參數(shù)、噪聲系數(shù)、增益壓縮、THD、IMD 和頻譜分析。

結(jié) 語

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)時如果不事先預(yù)留測試點(diǎn)，后期便會出現(xiàn)需要通過“飛線”等手段引出信號進(jìn)行驗(yàn)證；

? 比如需調(diào)整電路工作在線性區(qū)，否則易出現(xiàn)非線性失真，那就需要考慮通過額外的算法來消除其影響；

? 比如外圍電路不匹配會導(dǎo)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。

責(zé)任編輯：haq