黃建生 路瑜亮 劉 莉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸裝駐石家莊第一軍代室，河北 石家莊 100094）

0 引言

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通服務(wù)，北斗產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，應(yīng)用需求愈加廣泛。衛(wèi)星導(dǎo)航終端深入全社會(huì)各個(gè)行業(yè)，為其提供基礎(chǔ)的時(shí)空信息服務(wù)，保障國家經(jīng)濟(jì)、國防、交通以及通信等各行業(yè)安全、健康地發(fā)展。

衛(wèi)星導(dǎo)航終端芯片化、小型化、低功耗和低成本已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的方向，各類芯片廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星導(dǎo)航終端上。此外，芯片產(chǎn)業(yè)作為高端制造業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域，正在成為衡量一個(gè)國家高端制造業(yè)水平的標(biāo)桿。衛(wèi)星導(dǎo)航終端射頻芯片作為導(dǎo)航終端產(chǎn)品的基礎(chǔ)部件，其性能的優(yōu)劣將直接影響導(dǎo)航終端整機(jī)的性能指標(biāo)。射頻芯片測(cè)試則是射頻芯片研發(fā)、制作和生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起舉足輕重的作用。

1 射頻芯片測(cè)試

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片

衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片是將電磁波信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（或者從數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)）的集成電路。射頻芯片內(nèi)部器件包括功率放大器、低噪聲放大器、濾波器以及射頻開關(guān)等。功能包括信號(hào)接收、信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和信號(hào)發(fā)送等。衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片功能機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片功能結(jié)構(gòu)圖

1.2 射頻芯片測(cè)試

射頻芯片集成測(cè)試就是搭建射頻芯片集成測(cè)試環(huán)境，按照射頻芯片性能指標(biāo)測(cè)試流程、控制儀器設(shè)備（直流電源、頻譜儀、示波器以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等）對(duì)射頻芯片的功能和性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。射頻芯片測(cè)試對(duì)射頻芯片的研發(fā)、生產(chǎn)都是至關(guān)重要的，通過測(cè)試保證了射頻芯片的質(zhì)量，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)射頻芯片在研制、生產(chǎn)過程中的問題，對(duì)提升射頻芯片性能具有重要作用。射頻芯片測(cè)試還可以避免不必要的人員和成本浪費(fèi)。但是，射頻芯片測(cè)試技術(shù)同樣也面臨問題和挑戰(zhàn)：1） 射頻芯片測(cè)試需要不斷提升測(cè)試能力，以滿足射頻芯片多樣化、復(fù)雜化的測(cè)試需求。隨著射頻芯片設(shè)計(jì)、工藝以及制造技術(shù)水平的不斷提高，射頻芯片的復(fù)雜度和測(cè)試項(xiàng)目不斷增加，芯片測(cè)試難度也不斷提高。2） 射頻芯片測(cè)試需要滿足批量化、自動(dòng)化的需求。隨著射頻芯片產(chǎn)能的提高，傳統(tǒng)射頻芯片測(cè)試能力不能滿足射頻芯片廠家重復(fù)性的測(cè)試需求，需要專業(yè)化、自動(dòng)化的射頻芯片測(cè)試系統(tǒng)。

1.3 測(cè)試內(nèi)容

射頻芯片性能指標(biāo)測(cè)試內(nèi)容主要包括以下8項(xiàng)（射頻芯片測(cè)試內(nèi)容列表見表1）：1） 輸入三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)。輸入三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)是射頻系統(tǒng)中衡量線性度或失真的重要指標(biāo)，當(dāng)2個(gè)信號(hào)在1個(gè)線性系統(tǒng)時(shí)，由于存在非線性因素，因此使一個(gè)信號(hào)的二次諧波與另一個(gè)信號(hào)的基波混頻后產(chǎn)生的寄生信號(hào)。2） 總增益范圍。總增益范圍是指射頻芯片輸出端口信號(hào)與輸入端口信號(hào)相比的放大程度。3） 增益控制范圍。增益控制范圍是指射頻芯片對(duì)輸出端口信號(hào)增益控制的范圍。4） 1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率。它可以用來考核射頻芯片的線性度。射頻芯片的放大器的輸出功率無法隨著輸入功率的增加而一直呈線性比例放大，最后總會(huì)達(dá)到飽和，當(dāng)放大器的增益比線性的理想值小于1 dB后不再降低時(shí)的輸入功率稱為輸出1 dB壓縮點(diǎn)。5） 噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)表示射頻芯片內(nèi)部本身所產(chǎn)生的噪聲，其值越小越好。6） 本振相位噪聲。本振相位噪聲是指射頻芯片本振在噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化，本振信號(hào)的相位噪聲太大會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比，從而影響接收靈敏度。7） 帶外抑制。帶外抑制是指對(duì)射頻芯片通帶以外的信號(hào)的抑制程度。8） 鏡像抑制。鏡像抑制是指對(duì)射頻芯片輸入信號(hào)的鏡像頻點(diǎn)的抑制能力。

表1 射頻芯片測(cè)試內(nèi)容列表

2 自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)

射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)以開放性、靈活性和可擴(kuò)展性為基該設(shè)計(jì)原則來規(guī)劃系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)。

2.1 工作原理

射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試是圍繞射頻信號(hào)正常工作條件搭建的測(cè)試環(huán)境，設(shè)置射頻芯片工作狀態(tài)，給射頻芯片輸入激勵(lì)射頻信號(hào)，獲取射頻芯片輸出的中頻信號(hào)，通過標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)射頻芯片的輸出信號(hào)進(jìn)行采集和測(cè)量，從而給出射頻芯片的性能評(píng)估結(jié)果。

射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)由通用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器、測(cè)試夾具、通信網(wǎng)絡(luò)以及程控穩(wěn)壓電源等部分組成。通用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器主要包括信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀、示波器以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器組成。測(cè)試夾具是一個(gè)通用的射頻芯片安裝平臺(tái)，可以為不同射頻芯片提供通用的測(cè)試接口。

首先，通過程控穩(wěn)壓電源給射頻芯片測(cè)試平臺(tái)供電。其次，自動(dòng)化測(cè)試控制軟件給射頻芯片發(fā)送SPI指令，修改射頻芯片各寄存器的值，設(shè)置射頻芯片工作狀態(tài)。再次，控制信號(hào)發(fā)生器給射頻芯片輸入合適的射頻信號(hào)，射頻芯片給指定的測(cè)試儀器輸出中頻信號(hào)。最后，自動(dòng)化測(cè)試控制軟件設(shè)置測(cè)試儀器的測(cè)試參數(shù)，對(duì)輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和評(píng)估，給出被測(cè)射頻芯片指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果。射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)工作原理圖如圖2所示。

2.2 測(cè)試評(píng)估方法

以輸入三階交調(diào)截點(diǎn)測(cè)試項(xiàng)目為例介紹射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估方法。輸入三階交調(diào)截點(diǎn)（input power of third-order intercept point）定義如下：將2個(gè)頻率相近的信號(hào)同時(shí)輸入射頻芯片中，通過射頻芯片的非線性作用產(chǎn)生三階交調(diào)信號(hào)，當(dāng)三階交調(diào)信號(hào)功率與射頻芯片中頻輸出功率相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)的射頻芯片輸入信號(hào)功率為輸入三階交調(diào)截點(diǎn)。

測(cè)試評(píng)估方法如下：1） 如圖2所示，連接儀器設(shè)備和被測(cè)射頻芯片。2） 設(shè)置射頻芯片的工作模式，為最小增益。3） 設(shè)置信號(hào)發(fā)生器1的輸出信號(hào)頻率，信號(hào)電平為射頻芯片中頻通道的最大功率。4） 設(shè)置信號(hào)發(fā)生器2的輸出信號(hào)頻率+0.1 MHz，信號(hào)電平為射頻芯片中頻通道的最大功率。5） 設(shè)置頻譜儀中心頻率為射頻芯片輸出頻率+0.05 MHz，掃頻寬度為1 MHz，調(diào)整頻譜儀分辨率帶寬，使頻譜儀能夠清楚分辨2個(gè)中頻信號(hào)和三階交調(diào)信號(hào)。6） 讀取信號(hào)發(fā)生器1的輸出功率、頻譜儀中頻輸出信號(hào)功率和三階交調(diào)信號(hào)功率，根據(jù)公式（1）計(jì)算輸入三階交調(diào)截點(diǎn)。

圖2 自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)工作原理圖

式中：3為三階交調(diào)截點(diǎn)，dBm；為信號(hào)發(fā)生器1的輸出信號(hào)功率，dBm；為信號(hào)源輸出端至射頻芯片輸入端的附加電纜損耗，dB；為頻譜儀測(cè)得的中頻輸出信號(hào)功率，dBm；為頻譜儀測(cè)得的輸出三階交調(diào)信號(hào)功率，dBm。

2.3 自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估流程

射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估是基于測(cè)試模板實(shí)現(xiàn)的。測(cè)試模板中包括測(cè)試流程步驟、控制對(duì)象以及控制參數(shù)等。用戶可以對(duì)測(cè)試模板以及測(cè)試參數(shù)進(jìn)行編輯和修改。測(cè)試模板編輯功能包括創(chuàng)建模板、刪除模板、復(fù)制模板、黏貼模板、添加項(xiàng)目和刪除項(xiàng)目等。

自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估流程是從測(cè)試項(xiàng)目模版中讀取測(cè)試流程，協(xié)調(diào)控制各設(shè)備及儀器按照測(cè)試模板運(yùn)行，完成激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、自動(dòng)測(cè)試信號(hào)測(cè)量、測(cè)試數(shù)據(jù)采集以及分析評(píng)估工作。測(cè)試流程完成單個(gè)項(xiàng)目的自動(dòng)化運(yùn)行后自動(dòng)讀取下一個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試模板文件，直到完成所有測(cè)試項(xiàng)目，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻芯片的一鍵式自動(dòng)化測(cè)試，提高測(cè)試效率，節(jié)省人工。射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估流程如圖3所示。

圖3 射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估流程圖

3 射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試原理和上述設(shè)計(jì)方案，利用信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和時(shí)頻芯片搭建了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)北斗射頻芯片的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)使用的信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為Agilent9310A和 E4421B，頻譜儀為Agilent9010A，衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片選用廣州海格通信有限公司研發(fā)的RX3701芯片。射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)如圖4所示。

圖4 射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

RX3701是一款支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo、QZSS以及IRNSS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的射頻芯片。接收通道工作頻率覆蓋1.15 GHz～1.65 GHz、2.45 GHz～2.55 GHz，可滿足定位、定向、高精度測(cè)量和短報(bào)文通信等多種應(yīng)用需求，可應(yīng)用于低功耗、小型化、多功能集成以及高抗干擾的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，測(cè)試用RX3701射頻芯片及模塊如圖5所示。

圖5 RX3701射頻芯片及模塊實(shí)物

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

使用射頻芯片自動(dòng)化測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)RX3701芯片的輸入三階交調(diào)截點(diǎn)、總增益范圍、增益控制范圍、1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率、噪聲系數(shù)、本振相位噪聲、帶外抑制和鏡像抑制等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程如圖6～圖8所示。

圖6 信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)

圖7 輸入三階交調(diào)截點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

圖8 1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率試驗(yàn)驗(yàn)證

RX3701射頻芯片試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見表2，測(cè)試過程符合預(yù)期，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

表2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果匯總表

4 結(jié)語

該文針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片測(cè)試的發(fā)展需要，基于射頻芯片性能指標(biāo)測(cè)試評(píng)估方法的測(cè)試模板實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片的自動(dòng)化測(cè)試評(píng)估技術(shù)，對(duì)推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化具有重要意義。