功率放大器測量
5G應(yīng)用帶來了通信技術(shù)的革命性變革，在無線通信系統(tǒng)中，功率放大器(Power Amplifier, 簡稱PA)占據(jù)傳輸鏈的最后一級，為天線提供所需的射頻功率，是通信系統(tǒng)中射頻鏈路質(zhì)量的重要貢獻者。如圖1所示。功率放大器(PA)是5G發(fā)射機傳輸質(zhì)量和電池壽命的關(guān)鍵決定因素。
圖1 典型通信射頻傳輸鏈路
什么是 EVM
為什么EVM很重要？
EVM 是用于評估通信系統(tǒng)帶內(nèi)失真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。誤差矢量是特定時間理想?yún)⒖夹盘柵c測量信號之間的矢量差。非理想條件下會使接收和發(fā)送的信號失真，因此量化調(diào)制信號質(zhì)量需要EVM測試。802.11ac和5G NR等標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)置了可接受的最低 EVM指標(biāo)。
什么是 ACPR
為什么ACPR很重要？
ACPR、相鄰信道功率水平和鄰道泄漏比(ACLR)指的是同一概念，即指定信道上的發(fā)射功率與相鄰信道接收濾波后接收到的功率之比。該指標(biāo)衡量一個信道對另一信道的可能干擾程度。ACPR是用于量化帶外失真特性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。ACPR測試對于UMTS和LTE標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。
隨著系統(tǒng)復(fù)雜性迅速增加，5G傳輸系統(tǒng)需要精確的測量來確保其性能符合更嚴(yán)格的要求。例如，256QAM要求EVM達到3.5%，而1024QAM 的EVM則需達到1%。
為什么要測量功率放大器的
非線性性能？
線性度對于具有高峰均比(PAPR)信號的系統(tǒng)至關(guān)重要。射頻鏈路的非線性響應(yīng)直接影響解調(diào)誤差，導(dǎo)致誤碼率變差。此外，非線性會產(chǎn)生頻譜再生，從而導(dǎo)致對其他頻段的干擾，因此保持射頻鏈的線性度對于無線通信的質(zhì)量至關(guān)重要。
對于用寬帶輸入信號激勵的功率放大器，非線性會導(dǎo)致帶內(nèi)和帶外失真產(chǎn)物。雖然工程師通過濾波消除線性失真，而非線性效應(yīng)則難以解決。開發(fā)人員必須量化功率放大器的非線性性能，以確保設(shè)備滿足效率規(guī)范并遵循嚴(yán)格的5G EVM和ACPR標(biāo)準(zhǔn)。本質(zhì)上，強線性度表明功率放大器將放大輸入信號而不會增加失真。
圖2 MOD失真應(yīng)用中測量的輸入/輸出頻譜
此外測量功率放大器性能還有助于：
①研發(fā)人員驗證功率放大器是否滿足系統(tǒng)性能規(guī)范②客戶確定功率放大器是否滿足其5G通信系統(tǒng)要求
③評估功率放大器性能及其市場價值
測量功率放大器線性度的兩種方法——
時域測量與頻域測量
時域和頻域是兩種測量方法。雖然傳統(tǒng)時域測量方法可以滿足之前的需求，但 5G NR 技術(shù)則需要更為精簡且準(zhǔn)確的測量方法。
時 域 測 量
時域測量是指針對時間進行的測量。示波器是時域測試設(shè)備的一個典型示例，它測量元器件的電壓和電流（y軸）作為時間（x軸）的函數(shù)。傳統(tǒng)上，功率放大器非線性特性需要使用矢量信號分析儀（VSA）和矢量信號發(fā)生器（VSG）在時域中進行測量。
矢量信號發(fā)生器（VSG）向被測設(shè)備(DUT)提供輸入信號，而矢量信號分析儀（VSA）捕獲輸出信號并計算EVM和ACPR等指標(biāo)。我們將此過程稱為VSA方法。
圖3 傳統(tǒng)功放測試：VNA用于網(wǎng)絡(luò)分析，VSA用于ACPR、NPR、EVM等測試
這種時域測量方法滿足了過去的通信要求，然而5G FR2系統(tǒng)則要求開發(fā)人員使用毫米波(mmWave)頻譜中極寬的信號帶寬來測量其性能指標(biāo)。由于多種因素，新一代技術(shù)使得VSA法進行功率放大器性能測量（尤其是EVM）變得越來越具有挑戰(zhàn)性。
時域測量的主要挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：
01
無法區(qū)分系統(tǒng)EVM與DUT EVM
信號源完整性直接影響 EVM 結(jié)果。在 VSA 方法中，測試系統(tǒng)的EVM（或殘余EVM）與 DUT EVM 無法區(qū)分。VSA假定測量到的任何誤差均歸因于待測PA。這不僅不準(zhǔn)確，而且隨著 EVM 要求變得越來越嚴(yán)格，它很難準(zhǔn)確評估功率放大器是否符合5G標(biāo)準(zhǔn)。
此外，隨著信號帶寬越來越寬，系統(tǒng)的信噪比(SNR)會下降。噪聲限制了測量中可分辨的最小EVM。低功率水平下的隨機噪聲也會導(dǎo)致EVM測試的準(zhǔn)確性和可靠性降低。輸入信號的非理想性和接收機處的寬帶噪聲限制了VSA可測得的最小EVM。
02
校準(zhǔn)挑戰(zhàn)高
VSA 方法的校準(zhǔn)所面臨的問題包括復(fù)雜性、魯棒性、信號保真度和可重復(fù)性。盡管存在多種校準(zhǔn)測試系統(tǒng)的方法，但即使是最先進的技術(shù)也可能會出現(xiàn)誤差，尤其是當(dāng)測試信號具有較寬的帶寬且 DUT 失配較大時。
使用不會產(chǎn)生任何非線性失真的信號分析儀對輸入信號進行數(shù)字化，可以減小EVM 測量誤差。然而，該解決方案在大帶寬上面臨巨大的實施挑戰(zhàn)。該解決方案還需要對 VSA 有深入的了解，并且會大大影響整個測量速度。這些校準(zhǔn)方法過程復(fù)雜且受到隨機誤差的影響。信號保真度給 VSA 方法帶來了另一個問題，因為較高頻率下的電纜損耗和不匹配，導(dǎo)致施加到 DUT 的實際信號與理想信號存在偏差。
03
所需設(shè)備多、測試時間長
如前所述，傳統(tǒng)的時域表征測量系統(tǒng)需要三個主要設(shè)備：矢量信號分析儀（VSA）、矢量信號發(fā)生器（VSG）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）。此外，時域表征需要每個儀器都有獨特的布線和校準(zhǔn)設(shè)備。在 VSA 和 VNA 之間交替進行 DUT 參數(shù)測試在硬件、軟件和外圍設(shè)備方面的成本更高。由于重新校準(zhǔn)和連續(xù)切換系統(tǒng)設(shè)置，還增加了設(shè)備測試時間。通過在 E5081A ENA-X VNA 解決方案上使用高達 44 GHz 的頻域表征，避免了浪費寶貴的時間進行手動重新配置系統(tǒng)或切換復(fù)雜的基于開關(guān)的系統(tǒng)。
頻 域 測 量
頻域測量是指針對頻率進行的測量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是頻域測試設(shè)備的范例，用于測量作為特定頻率（x軸）函數(shù)的信號功率（y軸）。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是元器件測試和電氣網(wǎng)絡(luò)分析的首選儀器，典型的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）元器件測試包括 S 參數(shù)、增益壓縮和互調(diào)等。
是德科技采用頻域測量方法，即矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 方法，只需要VSG和ENA-X VNA以及調(diào)制失真（MOD）軟件，而不需要信號分析儀。VNA 方法改進了性能指標(biāo)的評估方法和準(zhǔn)確性，并通過簡化測試設(shè)置將測試周期時間縮短了 50%。
那什么是調(diào)制失真分析
它改進了什么？
隨著 5G 開發(fā)的不斷進展，功率放大器需要進行調(diào)制信號激勵的放大。由于無線標(biāo)準(zhǔn)限制了特定 RF 組件在一定頻率范圍內(nèi)允許的最大雜散發(fā)射，因此開發(fā)人員必須在這些復(fù)雜的調(diào)制方案下進行放大器測量，以驗證其在這些限制內(nèi)的性能。
調(diào)制失真軟件利用矢量校準(zhǔn)的ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀重新構(gòu)建放大器失真測量，以獲得準(zhǔn)確且可重復(fù)的 EVM 結(jié)果，如圖4所示。MXG 信號發(fā)生器的寬帶輸入信號利用頻譜相關(guān)技術(shù)為DUT提供激勵，MOD應(yīng)用軟件在頻域逐點進行輸入、輸出信號的測量。然后，ENA-X 將頻率拼接在一起以實現(xiàn)寬帶相干測量。測量的輸出信號分解為線性和非線性相關(guān)分量。此時，MOD 失真應(yīng)用軟件在頻域進行 EVM 和 ACPR計算。
圖4 VNA 上的 EVM 和 ACPR測試
借助調(diào)制失真 (MOD) 軟件，是德科技ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀超越了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以直接測量功率放大器的失真參數(shù)。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置一個集成上變頻器以提高靈活性，僅需一臺低頻矢量信號發(fā)生器(VSG)即可進行復(fù)雜的寬帶調(diào)制測量。例如，生成 44 GHz 調(diào)制激勵僅需要使用Keysight N5186A MXG 射頻矢量信號發(fā)生器，如圖5所示。
圖5 VNA法：利用MXG射頻矢量信號發(fā)生器和ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀的上變頻器路徑
是德科技ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀
進行功率放大器測量的優(yōu)勢
設(shè)置簡單、單次連接/多種測量
ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀通過全集成、單次連接/多種測量的方式大大降低了頻域測試的復(fù)雜性。用于測量 S 參數(shù)、增益壓縮和噪聲系數(shù)的相同設(shè)置，也可以實現(xiàn) EVM 和 ACPR測試?？梢酝ㄟ^一次設(shè)置、一次連接和一次“cal-all”校準(zhǔn)來獲取線性和非線性性能參數(shù)。
最佳的測量精度和重復(fù)性
當(dāng)使用 ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀測量非線性 DUT性能時，夾具去嵌入等校準(zhǔn)方法可以將校準(zhǔn)端面移動到 DUT 端面。輸入端口失配和通道功率也是可校正的——就像 IQ 數(shù)據(jù)一樣——在參考平面上產(chǎn)生平坦的輸入信號，并抑制信號ACPR。鑒于這種測量的相干性，每條跡線都相同，從而使 ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)技術(shù)能夠快速提供測量重復(fù)性和輸入信號保真度。
最低的殘余EVM
更寬的系統(tǒng)動態(tài)范圍或更低的本底噪聲使調(diào)制失真（MOD）應(yīng)用軟件可以將DUT造成的失真分離出來。這意味著頻域功率放大器測量可將系統(tǒng)失真和噪聲與 DUT 的 EVM 區(qū)分開來，從而凈化功率放大器測量并獲得功率放大器的真實性能。
滿足高功率放大器測試
雖然低功率條件足以獲取線性 S 參數(shù)，而增益壓縮和失真測試則需要高功率輸入信號。此外，大多數(shù)功率放大器設(shè)計將在接近飽和的情況下運行，以優(yōu)化功率附加效率(PAE)，同時保持整體系統(tǒng)級性能目標(biāo)。在低功率水平下，SNR或噪聲系數(shù)影響EVM最大，在高功率水平下，非線性失真在EVM中占主導(dǎo)地位。
為了完成非線性功率放大器測量，需要一個用于高功率測試裝置的升壓放大器。但在設(shè)置和校準(zhǔn)中增加部件會增加測量的復(fù)雜性和潛在的誤差。ENA-X 的設(shè)計考慮了這些高功率因素的影響。E5081A 網(wǎng)絡(luò)分析儀為高功率功率放大器測試提供接收機直接接入和接收機衰減器。
接收機直接接入
升壓放大器的超高反向隔離 S21，使得利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置進行精確的功率放大器 S11 測量具有挑戰(zhàn)性。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀通過可配置的測試系統(tǒng)架構(gòu)提供內(nèi)部接收機直接接入作為解決方法，如圖6所示。
可配置的架構(gòu)使開發(fā)人員能夠?qū)⒐β史糯笃?S11信號重新路由，通過升壓放大器直接到達 ENA-X 接收機。這種靈活性可以在高功率信號條件下進行精確的放大器S11測量。
圖6 使用2端口E5081A ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀進行高功率放大器測量的典型配置
接收衰減器
測試儀器的內(nèi)部組件功率處理能力是高功率測量的關(guān)鍵考慮因素。高功率水平可能會損壞網(wǎng)絡(luò)分析儀，從而導(dǎo)致昂貴的維修費用。通常，高功率放大器測試需要外部衰減器以防止?jié)撛诘慕邮諜C壓縮所導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確或測試裝置損壞。然而，添加外部裝置會增加測試系統(tǒng)潛在的誤差和校準(zhǔn)復(fù)雜性。為了最大限度地降低儀器損壞和測量誤差的風(fēng)險，ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了內(nèi)置接收衰減器，從而無需外部衰減器。
結(jié)論
由于寬帶信號、復(fù)雜的調(diào)制方案以及日益嚴(yán)格的 EVM 和 ACPR 要求，設(shè)計5G 系統(tǒng)功率放大器面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的 VSA 表征方法不再滿足設(shè)計工程師的需求。
E5081A ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)制失真解決方案提供了多項功率放大器測量優(yōu)勢，可克服寬帶測量挑戰(zhàn)：
寬動態(tài)范圍，由于本底噪聲較低，因此可實現(xiàn)低殘余 EVM
輕松校準(zhǔn)矢量校正測量，增強功率放大器輸入端的信號保真度，從而顯著提高測量可重復(fù)性
先進的軟件允許在調(diào)制條件下進行失真分析
針對任何功率放大器性能測量，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）對于測量線性和非線性性能至關(guān)重要。通過 MOD 應(yīng)用軟件，測試系統(tǒng)可進行傳統(tǒng)的 VNA測試、EVM 和 ACPR測試。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀的獨特架構(gòu)使 RF 開發(fā)人員能夠在單個簡化設(shè)置上執(zhí)行多種多端口測量，從而提高測量精度和可重復(fù)性、縮短測試周期時間并獲得最低的殘留 EVM 結(jié)果。