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提升功率放大器(PA)设计验证效率

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【摘要】:
功率放大器(PA),在移动设备中的重要性不言而喻,尤其是随着通信技术的发展,5G,WiFi 6/6E,UWB等宽带制式对功放提出了更高的要求,更复杂的调制方式,更高的调制阶数,更多的载波聚合,更高的频段与带宽,使得测试验证的复杂度也随之提高。

功率放大器(PA),在移动设备中的重要性不言而喻,尤其是随着通信技术的发展,5G,WiFi 6/6E,UWB等宽带制式对功放提出了更高的要求,更复杂的调制方式,更高的调制阶数,更多的载波聚合,更高的频段与带宽,使得测试验证的复杂度也随之提高。

 

 如何提高PA的设计验证效率?

 

 如何真实地反映PA本身的EVM指标?

 

 为什么经常遇到不同的测试仪表平台的EVM测试结果有很大差别?

 

相信这些都是大家在平时的工作中常遇到的困扰,基于此,我们总结了经常会遇到的5个典型问题,以及解决问题的小贴士,小伙伴们,来看看这些易踩的“坑”,你都成功避过了吗?

 

 

# 问题1 #

设计仿真阶段模型不准

宽带高频PA的设计,是一项复杂的工作,需要借助专业的仿真工具完成。对设计师而言,PA仿真面临两大难题:

一是如何获得与实测一致准确的仿真结果;

二是在PA设计完成后,模型如何用于后续的系统验证或DPD算法验证。

小贴士

要解决这两个难题,最重要是获得准确的仿真模型,包括大信号,非线性,宽带模型;也包括无源器件,电路走线,接头的准确模型。

针对非线性模型,可以使用矢量网络分析仪提取器件的X参数对非线性模型。针对无源器件,走线,接头等模型提取,通过设计夹具,去嵌入,对元件模型进行测试提取。使用实测模型进行仿真,多次迭代,最终仿真与测试一致。

文末的资料“Broadband Power Amplifier Design and Validation”中,详细介绍了如何借助ADS进行宽带功放设计与验证,如下图:

图,利用ADS进行宽带功放设计

针对系统验证或DPD算法验证,还需要考虑宽带器件的记忆效应,可以使用ADS仿真软件,生成FCE模型,用于后续的系统验证或DPD算法验证。也可以通过仪表,搭建半实物测试系统,如下图,将设计完成的PA实物通过仪表与系统软件连接,直接完成系统性能验证或DPD算法验证。

 

图,是德科技半实物测试系统示意图

 

# 问题2 #

测试时EVM失真严重

现代通讯对射频系统的带宽和工作频段都提出了苛刻的要求,尤其对于毫米波和超宽带功放而言,测试平台所引入的失真和误差会严重影响最终的测试结果。

如下图是我们做过的一个原型机试验,采用基于5G候选波形FBMC调制,通过宽带矢量源生成的一个载波频率为20GHz,调制带宽达4GHz的原始信号,其物理层调制的数据传输速率达到了10-20Gbps。

从频谱曲线可以看出整个频率范围内不同频率成分的幅度波动很大,远离中心频率的频率分离衰减增大,呈现明显的幅度不平坦,因为信号是由很多个子载波构成,这些幅度衰减的频率成分将使其所在的子载波的信噪比降低,导致EVM下降。

虽然原型机平台可以依靠接收机信道均衡和纠错等措施仍然可以实现较高的吞吐率,但是如果用于PA或基站的射频测试,就会严重影响测试EVM的准确度。

图,未校正的超宽带调制信号示例

小贴士

对测试平台进行宽带校正补偿 

方法1,仪器预置校正数据。出厂前对仪表自身的宽带失真进行测量并且将校正数据存储在仪表里面,在测试时仪表根据频率和带宽自动应用校正数据,无需额外的校正操作即可进行测试。(注:该方法必须仪器支持内置校准功能)

方法2,系统外部校正。使用校准器在现场对仪表进行宽度校正,实时产生校正数据补偿到仪表中,使仪表的EVM达到最优。对信号源和分析仪以及外部器件进行独立的校正,校正数据即可以应用到仪表测试端口,也可以包含测试中使用的外部附件或射频器件模块一起校正,校正数据可以应用到被测件的输入或输出端口,而且现场的各种环境和工作条件产生的影响也会被包括在校正操作中,所以目前应用这种方式总是能在现场实现仪表最佳的EVM特性。

是德科技的测试平台,

提供了结合上述两种方案的最优解。

 信号生成部分M9384B VXG 微波信号发生器内置校准功能,输出信号校准到端口,通过用户自定义的自动通道相应校正和S参数去嵌入,将信号校准面延伸到PA输入端面;

 信号分析部分采用U9361 RCal接收机校准仪去除线缆转接头等外部附件带来的频率响应,将信号校准面延伸至PA输出端面,如下图,是目前推荐使用的方法。 

图,外部校准方法示意(针对线性失真)

关于Rcal的详细用法,可参考文末资料“Rcal使用指南”。 

 

# 问题3 #

测量EVM一致性差

测试附件,诸如转接头和线缆的选择,是PA及宽带收发测试中很容易被忽略的环节,而在实际的测试中,测试附件会对结果产生很大的影响,尤其是毫米波频段使用的线缆和接头,相对于6GHz以下的低频段,一般存在更大的线性失真和不平坦性。 

小贴士

方法1,选用高质量的转接头和电缆,以保证测试一致性。

方法2,在选用高质量测试附件的同时,采用现场外部校正的方式,把测试附件的误差包含在校正数据里面,去除这些部分的影响,具体方法参考前文。

 

# 问题4 #

加入驱动放大后EVM恶化严重

在测试大功率PA时经常遇到的一个问题就是驱动放大,由于大功率PA往往需要较高的Pin,而毫米波矢量信号源的最佳线性输出电平通常低于要求,所以往往需要在被测PA输入端加一个驱动放大器,下图是一个实际测试连接框图:

图,5G大功率PA测试EVM连接框图

 除了用于5G宽带信号产生和分析的信号源和分析仪外,驱动放大器自身也给测试带来很大影响。虽然一般采用的驱动放大器都是宽带线性放大器,只要设置合适的输入和输出功率区间,放大器工作在线性区,非线性失真很小,其仍然存在线性失真,驱动放大器本身的幅频响应和相频响应波动仍然对EVM产生较大的影响。

我们实际测试中发现,在26GHz-29GHz频率范围,800MHz调制带宽条件下,信号源本身输出信号的EVM已经校正到0.8%,但是经过驱动放大器之后,EVM会恶化到最大3%-4%,这不仅导致最终被测PA输出信号的EVM很高,而且甚至超过了厂家对系统级EVM的要求。

小贴士

采用前文中提到的外部校准方法,如下图,使信号源加驱动放大器的整体EVM达到1%左右,这样再连接被测PA进行EVM测试,就获得了比较理想的结果,因为这时驱动放大器的线性失真不会对测试产生影响。

图,基于RCal的外部校正方法解决驱动放大器影响EVM测试问题

 

# 问题5 #

在片测试时多次下针导致低效及损耗

高集成度的PAFEM在片测量中,需要对诸多参数进行测量,诸如S 参数、噪声系数、互调失真、压缩,脉冲射频测量等,而不同的参数通常需要用不同的系统进行测量。

多套系统完成测试需要多次下针,也会在PAD上留下痕迹 ,对测试效率及精度都会造成不同程度的影响,如下图,1次下针与4次下针后PAD示意,可以明显看到,多次下针后,PAD上留下了明显的痕迹,对测试板及探针是个极大的损耗,而且每次测量,都需要重新校准,费时费力。

图,多次下针后,PAD上留下明显痕迹

小贴士

采用单次连接,多次测量的方式,即一次性连接被测器件,用一套系统完成原来多个系统才能完成的工作,可以减少连接复杂性和工作量。目前,是德科技的PNA-X系列高性能网络分析仪可以方便的实现只用一组连接对有源或无源器件进行多项测量:S 参数、噪声系数、增益压缩、THD、IMD 和频谱分析。

 

结 语

PA设计与验证涉及到诸多内容,研发端与生产端的测试方法也不尽相同,除了上述提到的几点,还有很多需要注意的地方:

 比如在设计时如果不事先预留测试点,后期便会出现需要通过“飞线”等手段引出信号进行验证;

 

 比如需调整电路工作在线性区,否则易出现非线性失真,那就需要考虑通过额外的算法来消除其影响;

 

 比如外围电路不匹配会导致很大的测试误差; 

 

 以及采用先进算法包括DPD,CFR以及包络跟踪(ET)等。 

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