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如何提高PA的設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率

是德科技KEYSIGHT ? 來(lái)源:是德科技KEYSIGHT ? 作者:是德科技KEYSIGHT ? 2021-11-05 15:24 ? 次閱讀

功率放大器(PA),在移動(dòng)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(duì)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(cè)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(cè)試儀表平臺(tái)的EVM測(cè)試結(jié)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(jié)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(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(duì)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(cè)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(gè)難題,最重要是獲得準(zhǔn)確的仿真模型,包括大信號(hào),非線性,寬帶模型;也包括無(wú)源器件,電路走線,接頭的準(zhǔn)確模型。

針對(duì)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(duì)非線性模型。針對(duì)無(wú)源器件,走線,接頭等模型提取,通過(guò)設(shè)計(jì)夾具,去嵌入,對(duì)元件模型進(jìn)行測(cè)試提取。使用實(shí)測(cè)模型進(jìn)行仿真,多次迭代,最終仿真與測(cè)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(duì)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(guò)儀表,搭建半實(shí)物測(cè)試系統(tǒng),如下圖,將設(shè)計(jì)完成的PA實(shí)物通過(guò)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(wèn)題2 #

測(cè)試時(shí)EVM失真嚴(yán)重

現(xiàn)代通訊對(duì)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(duì)于毫米波和超寬帶功放而言,測(cè)試平臺(tái)所引入的失真和誤差會(huì)嚴(yán)重影響最終的測(cè)試結(jié)果。

如下圖是我們做過(guò)的一個(gè)原型機(jī)試驗(yàn),采用基于5G候選波形FBMC調(diào)制,通過(guò)寬帶矢量源生成的一個(gè)載波頻率為20GHz,調(diào)制帶寬達(dá)4GHz的原始信號(hào),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(gè)頻率范圍內(nèi)不同頻率成分的幅度波動(dòng)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?hào)是由很多個(gè)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(tái)可以依靠接收機(jī)信道均衡和糾錯(cuò)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(cè)試,就會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試EVM的準(zhǔn)確度。

小貼士

對(duì)測(cè)試平臺(tái)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(duì)儀表自身的寬帶失真進(jìn)行測(cè)量并且將校正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀表里面,在測(cè)試時(shí)儀表根據(jù)頻率和帶寬自動(dòng)應(yīng)用校正數(shù)據(jù),無(wú)需額外的校正操作即可進(jìn)行測(cè)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(chǎng)對(duì)儀表進(jìn)行寬度校正,實(shí)時(shí)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(duì)信號(hào)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(cè)試端口,也可以包含測(cè)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(cè)件的輸入或輸出端口,而且現(xiàn)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(yīng)用這種方式總是能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)儀表最佳的EVM特性。

是德科技的測(cè)試平臺(tái),

提供了結(jié)合上述兩種方案的最優(yōu)解。

? 信號(hào)生成部分,M9384B VXG 微波信號(hào)發(fā)生器內(nèi)置校準(zhǔn)功能,輸出信號(hào)校準(zhǔn)到端口,通過(guò)用戶自定義的自動(dòng)通道相應(yīng)校正和S參數(shù)去嵌入,將信號(hào)校準(zhǔn)面延伸到PA輸入端面;

? 信號(hào)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(lái)的頻率響應(yīng),將信號(hào)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(wèn)題3 #

測(cè)量EVM一致性差

測(cè)試附件,諸如轉(zhuǎn)接頭和線纜的選擇,是PA及寬帶收發(fā)測(cè)試中很容易被忽略的環(huán)節(jié),而在實(shí)際的測(cè)試中,測(cè)試附件會(huì)對(duì)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(duì)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(cè)試一致性。

方法2,在選用高質(zhì)量測(cè)試附件的同時(shí),采用現(xiàn)場(chǎng)外部校正的方式,把測(cè)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(wèn)題4 #

加入驅(qū)動(dòng)放大后EVM惡化嚴(yán)重

在測(cè)試大功率PA時(shí)經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題就是驅(qū)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(hào)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(cè)PA輸入端加一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器,下圖是一個(gè)實(shí)際測(cè)試連接框圖:

除了用于5G寬帶信號(hào)產(chǎn)生和分析的信號(hào)源和分析儀外,驅(qū)動(dòng)放大器自身也給測(cè)試帶來(lái)很大影響。雖然一般采用的驅(qū)動(dòng)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(dòng)放大器本身的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波動(dòng)仍然對(duì)EVM產(chǎn)生較大的影響。

我們實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn),在26GHz-29GHz頻率范圍,800MHz調(diào)制帶寬條件下,信號(hào)源本身輸出信號(hào)的EVM已經(jīng)校正到0.8%,但是經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器之后,EVM會(huì)惡化到最大3%-4%,這不僅導(dǎo)致最終被測(cè)PA輸出信號(hào)的EVM很高,而且甚至超過(guò)了廠家對(duì)系統(tǒng)級(jí)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(hào)源加驅(qū)動(dòng)放大器的整體EVM達(dá)到1%左右,這樣再連接被測(cè)PA進(jìn)行EVM測(cè)試,就獲得了比較理想的結(jié)果,因?yàn)檫@時(shí)驅(qū)動(dòng)放大器的線性失真不會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響。

# 問(wèn)題5 #

在片測(cè)試時(shí)多次下針導(dǎo)致低效及損耗

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

多套系統(tǒng)完成測(cè)試需要多次下針,也會(huì)在PAD上留下痕跡 ,對(duì)測(cè)試效率及精度都會(huì)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(duì)測(cè)試板及探針是個(gè)極大的損耗,而且每次測(cè)量,都需要重新校準(zhǔn),費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

小貼士

采用單次連接,多次測(cè)量的方式,即一次性連接被測(cè)器件,用一套系統(tǒng)完成原來(lái)多個(gè)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(duì)有源或無(wú)源器件進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量:S 參數(shù)、噪聲系數(shù)、增益壓縮、THD、IMD 和頻譜分析。

結(jié) 語(yǔ)

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(cè)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(shí)如果不事先預(yù)留測(cè)試點(diǎn),后期便會(huì)出現(xiàn)需要通過(guò)“飛線”等手段引出信號(hào)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(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(dǎo)致很大的測(cè)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

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原文標(biāo)題:5個(gè)小貼士,提升功率放大器(PA)設(shè)計(jì)驗(yàn)證效率

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