胡玉榮 王 酣,2 邢榮欣,2 危 亮 吳永明

(1.深圳賽西信息技術(shù)有限公司，廣東深圳 518052；2.中國電子技術(shù)標準化研究院，北京 100176)

1 引 言

5G通信，即第五代移動通信技術(shù)，被視為第四次科技革命，在短短的幾年間得到飛速的發(fā)展。它具有更快的速率、更寬的帶寬、更高的可靠性、更低的時延等特點，為現(xiàn)代通訊以及各個相關產(chǎn)業(yè)帶來革命性的發(fā)展[1]。元器件，特別是5G關鍵元器件(微波放大器、混頻器、濾波器、檢波器及射頻前端RFFEM等)，是5G技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的基礎和保障，其性能直接影響整個系統(tǒng)的性能，因而在5G關鍵元器件的性能測試方面具有更嚴苛的要求。

5G微波放大器作為通信系統(tǒng)核心器件中的核心，相較于4G放大器，通常在更高的載波頻率和5G的調(diào)制信號下工作，并要求在這樣的條件下具備理想的線性度、信噪比、誤差矢量幅度EVM、放大效率和穩(wěn)定性等，這極具有挑戰(zhàn)性[2]。因此，對5G微波放大器的性能參數(shù)及其測試方法的研究分析就變得尤為關鍵和必要，這對提高整個通信系統(tǒng)的性能方面也具有一定的現(xiàn)實參考意義。

2 微波放大器的特性

2.1 根據(jù)測量參數(shù)特性分類

根據(jù)放大器測量參數(shù)的特性分為線性特性和非線性特性[3]。放大器的很多基本特性都被認為是線性的，因此在描述大部分放大器的基本特性時會使用放大器的S參數(shù)。測量放大器的最主要工作是測量其小信號增益，然后還會測量諸如輸入匹配、輸出匹配和隔離度等其他特性。

線性特性是放大器的很重要的一個特性，但是很多放大器會工作在非線性狀態(tài)下。關于放大器的非線性特性，有幾個重要指標，其中最為基本的就是增益壓縮。放大器的增益壓縮就是輸入功率提高時增益的衰減。另外，諧波和互調(diào)失真也是放大器非常重要的指標參數(shù)。

2.2 根據(jù)作用類型分類

根據(jù)放大器的作用類型分為低噪聲放大器、系統(tǒng)放大器和功率放大器[3]。低噪聲放大器通常位于通信系統(tǒng)的最前端，用來在不增加過多噪聲的情況下對信號進行放大，其主要指標為噪聲系數(shù)和增益。

系統(tǒng)放大器簡單來講就是用來放大系統(tǒng)信號的增益模塊，具有很好的反向隔離特性，通常位于通信系統(tǒng)的中間，在低噪聲放大器LNA之后，功率放大器之前。系統(tǒng)放大器的噪聲系數(shù)可以比低噪聲放大器LNA高，因為它們主要用于信號通路，其信號總是遠遠高于本底噪聲。系統(tǒng)放大器通常都是寬帶放大器，具有良好的輸入和輸出匹配電路，可以模擬一個理想的增益模塊。系統(tǒng)放大器的主要指標有：增益、輸入和輸出匹配、隔離。由于系統(tǒng)放大器帶寬很寬，負載可以多種多樣，因此它們的穩(wěn)定性很重要。系統(tǒng)放大器的其他指標還包括增益平坦度，1dB壓縮功率，諧波失真和三階互調(diào)等。

功率放大器的多數(shù)指標與系統(tǒng)放大器和低噪聲放大器相同，但更強調(diào)功率處理[4]。此外，放大器的有效性也是功率放大器的最常見指標之一，這意味著在測量時還必須考慮到直流驅(qū)動電壓和電流。功率放大器的指標通常為其失真特性，包括互調(diào)失真IMD和諧波含量等。

2.3 調(diào)制信號下的性能參數(shù)分析

隨著通信技術(shù)的更迭演進，放大器更多地在高頻、加載調(diào)制信號的條件下工作，需要測試在調(diào)制信號下的矢量幅度誤差(EVM)、相鄰信道功率比(ACPR)、相鄰信道泄漏比(ACLR)及放大器的效率等[5]。目前，數(shù)字預失真(DPD)、包絡跟蹤(ET)技術(shù)是優(yōu)化放大器線性度和提高放大效率的常用技術(shù)手段。通過數(shù)字預失真測試，可以定量分析數(shù)字預失真前后的EVM及ACLR等數(shù)據(jù)，然后在放大器前端增加一個數(shù)字預失真器來提高微波放大器的線性度，從而提升其放大效率，減少失真及帶外泄露等；通過包絡跟蹤技術(shù)，根據(jù)調(diào)制信號的包絡，動態(tài)調(diào)節(jié)給功放供電的電壓，可以提升放大器的放大效率減少熱量損耗等。

3 放大器參數(shù)測試

根據(jù)放大器的不同應用特性，放大器常用的參數(shù)指標有：S參數(shù)、增益壓縮、諧波失真、噪聲系數(shù)及數(shù)字矢量調(diào)制誤差特性等。另外，在放大器的研發(fā)生產(chǎn)過程中，數(shù)字預失真(DPD)、包絡跟蹤(ET)測試也非常重要，它能有效提升放大器的線性度和放大效率。

3.1 S參數(shù)測試

S參數(shù)的測試框圖如圖1所示，當放大器工作在線性區(qū)時，使用網(wǎng)絡分析儀可以測試放大器的增益、輸入匹配、輸出匹配和隔離度等特性。這些測量工作基本上與傳統(tǒng)上測量無源線性器件的方法一樣，即每次都在被測器件DUT的一個端口上施加激勵，然后測量所產(chǎn)生的各個反射傳輸信號，最后計算出誤差經(jīng)過校準的S參數(shù)測量結(jié)果。但是需要注意的是，這種測量方法是依賴于被測器件DUT是一個線性器件，因此在測量一個放大器的S參數(shù)之前，最好先了解放大器的特性，進行預測試，得到諸如線性工作區(qū)、增益等數(shù)據(jù)。

圖1 S參數(shù)測試原理框圖

如圖2所示為一個典型的S參數(shù)測量圖。大部分情況下，4個S參數(shù)對于分析都非常重要。使用多個窗口顯示有助于同時觀察放大器多個測量結(jié)果。例如，S11和S22經(jīng)常顯示在史密斯圖中，用來表示輸入/輸出匹配；而S21和S12一般用對數(shù)幅度表示，S21表示放大器的增益，S12用來表示放大器的隔離特性。測量增益時，一般應該同時測量輸入和輸出功率。

圖2 S參數(shù)典型測量圖

3.2 增益壓縮測試

很多放大器會工作在非線性狀態(tài)，放大器的非線性特性指標，最為基本的就是增益壓縮。放大器的增益壓縮是指輸入功率提高時增益的衰減，最重要的是增益發(fā)生1dB壓縮時的功率[6]。

對于1dB壓縮功率測量，信號源+功率計測試方案是傳統(tǒng)常用的的測試方案。原理如圖3所示，在待測頻點的線性區(qū)施加一定功率值的載波信號至放大器，在功率計里測得輸出功率值，從而計算得出功率增益，然后逐漸增加源功率輸出，直至功率增益降低1dB為止，此時輸出的功率為該頻率輸出點的1dB壓縮功率。

圖3 傳統(tǒng)1dB壓縮功率測試框圖

此外，利用網(wǎng)絡分析儀也可以直接測量1dB壓縮功率。此方法相比于傳統(tǒng)測試方法更加方便快捷，測試連接如圖1所示(這里需要注意的是，為防止經(jīng)放大器放大后輸出的功率過時高燒毀網(wǎng)絡分析儀的接收端口，我們需要在接收端口處增加一個相應衰減值的衰減器)。設定測試壓縮的起始頻點，把網(wǎng)絡分析儀設為功率掃描模式，并把游標的頻率值作為功率掃描的固定頻率，就得到了一個從線性到非線性區(qū)域的功率掃描軌跡，如圖4所示。圖中還顯示了輸入功率和輸出功率的跡線，可以從S21跡線清楚地看到放大器的增益隨輸入功率的增加發(fā)生了壓縮。通過Mark點標定，我們可以得到當增益發(fā)生1dB壓縮時的輸入輸出功率。

圖4 1dB壓縮功率測試結(jié)果圖

3.3 失真測試

放大器的基本特性中有兩類失真：諧波失真和互調(diào)失真[3]。當放大器工作在非線性區(qū)域時會有失真分量產(chǎn)生，其直接誘因就是放大器發(fā)生了增益壓縮。從時域上看，增益壓縮會使一個單音連續(xù)波射頻信號的波峰變平，因此產(chǎn)生諧波失真。

3.3.1 放大器的諧波測試

諧波測試是采用一個信號源作為放大器的激勵，然后用頻譜儀測量輸出的功率，在頻譜中顯示測試的諧波幅度，如圖5所示。為了能直觀顯示諧波失真，并準確測量基波和諧波幅度，頻譜儀的掃頻范圍從基波頻率開始直到高次諧波頻率，并把掃頻帶寬縮小。如圖6所示為一放大器的諧波測試結(jié)果圖，Mark點M1為基波幅度，M2、M3分別為二次諧波和三次諧波幅度。

圖5 諧波測試原理圖

圖6 諧波測試結(jié)果圖

3.3.2 三階交調(diào)測試

對于眾多放大器特別是窄帶放大器來說，重要的失真指標就是在雙音激勵下的三階交調(diào)失真，通常稱之為互調(diào)失真IMD。

交調(diào)是指當功率放大器的輸入信號中包括兩個及兩個以上的多頻率時，由于功率放大器非線性特性的作用，輸出信號中除原有頻率分量外會產(chǎn)生新的頻率分量。這種新頻率分量就是交調(diào)分量，這種失真稱為交調(diào)失真。交調(diào)參數(shù)可利用兩路信號源以及合路器等完成交調(diào)參數(shù)的測量，測試原理如圖7所示[7]。測試的結(jié)果圖如圖8所示，失真分量越低，說明放大器的線性度越好。

圖7 交調(diào)失真參數(shù)測試原理圖

隨著現(xiàn)代測試設備技術(shù)的發(fā)展，很多高端的矢量網(wǎng)絡分析儀也可以直接測量放大器的三階交調(diào)，其測試的原理與傳統(tǒng)方法基本一致，在矢網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生兩個源信號，合成后加載到被測件中，然后通過矢網(wǎng)接收機接收并通過相應的運算程序得出相應的三階互調(diào)等參數(shù)。

3.4 功率附加效率PAE測試

對于許多放大器來說，效率是一個至關重要的功能指標，效率是指放大器把消耗的直流功率轉(zhuǎn)化為射頻功率的能力[5]，最通用的表征方式是功率附加效率PAE，其定義如下

(1)

式中：Output_Pwr——被測放大器的輸出功率，dBm；Input_Pwr——被測放大器的輸入出功率，dBm；DC_Pwr——直流加載功率，dBm。

如圖3所示，通過信號源施加特定輸入功率的信號至放大器，被測放大器由直流電源驅(qū)動，功率計端獲取輸出功率，驅(qū)動電源處可讀取驅(qū)動電壓和電流值，由此可得到其功率附加效率PAE值。

在線性狀態(tài)下工作的放大器的直流功率是恒定的(線性狀態(tài)的定義就是射頻輸入功率低到不會改變放大器的直流工作點)，因此PAE會隨著輸入功率的增大而提高，直到放大器進入非線性狀態(tài)并開始發(fā)生增益壓縮。

3.5 噪聲系數(shù)測試

雖然很少測試功率放大器的噪聲系數(shù)，但是對于用在接收機中或者其他一些低噪聲應用中的放大器來說，噪聲系數(shù)是一個關鍵指標[8]。通常用LNA來指代低噪聲放大器，其典型增益在(10～20)dB范圍內(nèi)，由許多級LNA組成的低噪聲模塊可以有更高的增益。

噪聲系數(shù)測試一般使用噪聲分析儀配套噪聲源探頭測試，原理框圖如圖9所示，驅(qū)動放大器后即可獲得其噪聲系數(shù)等參數(shù)。

圖9 噪聲系數(shù)測試原理圖

3.6 數(shù)字調(diào)制矢量誤差特性及功率頻譜特性測試

在研究增益壓縮對復雜調(diào)制信號的影響時，誤差矢量幅度(EVM)是一個很有價值的參數(shù)，它表示壓縮失真信號與期望幅度及相位的誤差，既包含幅度誤差也包含相位誤差。

對于數(shù)字調(diào)制矢量誤差參數(shù)的測試(如圖10所示)，根據(jù)待測元器件支持的數(shù)字信號調(diào)制方式，設置射頻矢量信號源和頻譜分析儀的調(diào)制方式，利用信號源產(chǎn)生特定的數(shù)字調(diào)制信號，頻譜分析儀(工作在解調(diào)方式下)對待測元器件的輸出信號進行解調(diào)并得到數(shù)字調(diào)制矢量誤差參數(shù)。測試結(jié)果消除掉測試系統(tǒng)和測試路徑引入的數(shù)字調(diào)制矢量誤差即可得到待測器件引入的調(diào)制矢量誤差。

圖10 調(diào)制矢量幅度誤差及功率頻譜特性測試原理框圖

功率和頻譜特性參數(shù)測試，連接方式與圖10基本相同，頻譜分析儀工作在頻譜測量模式下，進行輸出功率、鄰道功率比(ACPR)、鄰道泄漏比(ACLR)等參數(shù)測量。

3.7 數(shù)字預失真(DPD)測試

數(shù)字預失真線性化(DPD)技術(shù)的原理如圖11所示[9]。由于放大器的非線性特性，隨著輸入功率的增大，放大器的功率放大會衰減，造成其增益的線性度變差，誤差矢量幅度EVM、鄰道功率泄漏比ACLR等參數(shù)也變差。在放大器前增加一個預失真器可以補償功率放大器的非線性特性，使得信號經(jīng)過預失真器和功率放大器組成的級聯(lián)系統(tǒng)時產(chǎn)生很少或沒有失真，從而達到線性化的目的。預失真技術(shù)是一種開環(huán)技術(shù)，具有高的穩(wěn)定性，帶寬較寬和成本低等優(yōu)點[7]。

圖11 數(shù)字預失真原理圖

放大器的數(shù)字預失真測試，需要分別測試不采用DPD和采用DPD得到的EVM和ACLR等數(shù)據(jù)，以便通過對比定量分析DPD功能的實際效果，然后通過相應的算法制備相應的數(shù)字預失真器。

3.8 包絡跟蹤測試

由于在通信系統(tǒng)中，數(shù)字調(diào)制信號具有很高的峰均比，放大器的驅(qū)動電壓相對來說也較高，因此造成放大器的放大效率降低，系統(tǒng)能耗很高，很多能量以熱量的方式浪費掉且給系統(tǒng)的散熱設計也帶來挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)功放的能量分布原理如圖12所示[10]。

圖12 傳統(tǒng)功放工作能量分布原理圖

采用包絡跟蹤的技術(shù)，根據(jù)射頻信號的包絡，動態(tài)調(diào)節(jié)給功放的供電電壓，盡量減少能量的浪費，這樣既可以顯著降低系統(tǒng)的功耗又大大地提高了放大器的效率。采用包絡跟蹤技術(shù)的功放能量分布原理如圖13所示[10]。

圖13 采用包絡跟蹤技術(shù)的功放能量分布原理圖

包絡跟蹤測試如圖14所示，矢量信號源實時產(chǎn)生各種通信制式的標準信號，或加載客戶自定義的ARB文件，加載至被測放大器中；同時，矢量信號源的IQ Analog模塊輸出相應的包絡信號至直流調(diào)制器。直流可編程電源加載至直流調(diào)制器，直流調(diào)制器串聯(lián)一個定值電阻后驅(qū)動被測放大器。加裝相應IQ輸入選件的頻譜分析儀可以對直流調(diào)制器輸出的電壓和電流進行測試，同時，頻譜分析儀對放大器的頻域特性進行測試，并分析通信標準信號的調(diào)制質(zhì)量(EVM、頻譜誤差等)和功率附加效率等。

圖14 包絡跟蹤測試框圖

4 注意事項

在5G微波放大器的測試過程中，需要特別注意測試參數(shù)準確性把控、測試儀表及被測器件的安全防護。測試人員需要注意以下注意事項：1)需要初步了解被測放大器的基本信息，包括驅(qū)動電壓、增益、最大輸入功率等，并進行預測試，需要適配衰減器，以免燒毀放大器和儀表接收端口[2]；2)放大器工作時熱量較大，需要適配散熱片，以免因熱量太大燒毀放大器；3)為得到最優(yōu)化測試結(jié)果，測試儀表需充分熱機并進行端口校準或自校準，同時適配的衰減器需要標定被測頻點的衰減值。4)測試人員測試操作時需佩戴靜電手環(huán)或其他防靜電措施，以免靜電燒壞被測器件和儀表。

5 結(jié)束語

5G微波放大器作為5G通信系統(tǒng)的核心器件之一，對其性能參數(shù)的討論研究非常必要。在分析微波放大器性能指標的基礎上，闡述其測試方法和性能優(yōu)化技術(shù)，對5G微波放大器以及相關器件的測試研究工作有一定借鑒作用。此外，5G微波放大器及相關器件的測試工作還面臨諸如以下的挑戰(zhàn)：1)被測器件的封裝形式多樣，很多為芯片級甚至是在片形式的，而測試儀表基本上都是同軸端口，這就要求我們配置相應的測試夾具或探針，并且還要克服端口失配的問題[2]。2)對于微波器件的測試，目前還沒有統(tǒng)一的測試規(guī)定和測試要求，其性能一般都是由廠商自行測試和保證的，性能指標測試結(jié)果的一致性和有效性方面還有提升的空間[7]。