5G射频测试技术白皮书解析

　　功率放大器（PA）是现代无线电中不可或缺的射频集成电路（RFIC）之一。无论是作为分立元件还是集成前端模块（FEM）的一部分，PA会显著地影响无线发射机的性能。例如，无线PA的附加功率效率（PAE）在很大程度上会影响移动设备的电池寿命，其线性度会影响接收机解调传输信号的能力。

　　分立元件与集成前端模块
　　在GSM和UMTS等技术发展的早期，移动设备通常会为每个GSM和UMTS无线电配备独立的放大器。然而，LTE和WLAN技术的出现以及更多无线电频段的使用推动了对集成化程度更高的射频前端技术的需求。
　　如今供应商正在尝试将更多设备封装到单个组件中，包括PA、低噪放大器（LNA），双工器和天线开关。因此，现在射频测试工程师的任务通常是测试高度集成的前端模块（如图1所示），而非一个独立的PA。尽管前端模块测试所需的测量与分立组件的测量基本相同，但是测试集成前端模块通常还需要额外的步骤来配置待测设备（DUT）。
　　WLAN前端模块
　　
　　图1. FEM通常将PA和LAN集成到同一个组件中
　　在分析射频PA的性能特性时，工程师会采用各种测量和测试技术来了解设备的增益、线性度和效率。在实际操作中，分析设备特性所需的具体测量取决于放大器的预期用途。例如，尽管增益和效率等参数对于所有PA来说都很重要，但是用于无线通信传输的设备仍需要针对特定标准进行测量。误差向量幅度（EVM）作为PA最重要的度量标准之一，就是用来衡量调制信号的质量，而相邻信道泄漏比（ACLR）是UMTS或LTE 射频最重要的测量参数之一。

　　增益和输出功率
　　射频PA的两个重要特性是增益和输出功率。增益用来表示设备输入功率与输出功率之间的关系。通常当PA的增益在较宽的输入功率电平范围内维持相对恒定，但是当输出功率趋近于设备饱和区时，增益开始下降。这一效应称为增益压缩。
　　
　　图2. 典型PA中输入与输出功率的关系曲线
　　分析PA最大可用输出功率的最常用方法之一是测量1dB压缩点。如图2所示，1dB压缩点是指PA提供的增益比其在线性工作区域提供的增益小1dB 的工作点。例如，如果PA在其线性工作区域的增益是18dB，则1dB压缩点是指PA正好提供17dB增益时的输出功率。
　　测试1dB压缩点时，可以使用经过功率校准的矢量网络分析仪（VNA）或射频信号发生器和射频信号分析仪的组合。使用射频信号发生器和信号分析仪的组合是测量1dB压缩点的最快方法，可以使用连续波（CW）信号发生器或矢量信号发生器（VSG）进行此测量。
　　增益可作为输入功率的函数进行测量，这时可使用射频信号分析仪来测量信号发生器的功率电平并测量PA的输出功率。如图3所示，生产测试可用的一种优化技术是将VSG配置为生成斜坡波形，而非具有不同功率电平的一系列连续波（CW）。
　　通过使用矢量信号收发仪（VSA）采集斜坡信号，即可轻松地将输入功率与输出功率相关联，以确定增益与输入功率的关系曲线。这种斜坡信号方法比针对不同的步骤对信号发生器进行不同的配置要快得多，并且可以节省宝贵的测试时间。
　　
　　图3. 利用斜坡信号模拟PA来测量1dB压缩点

　　使用NI矢量信号收发仪实现快速功率级伺服控制
　　NI PA测试解决方案采用的独特技术是使用NI矢量信号收发仪（VST）实现基于FPGA 的功率级伺服。传统的功率级伺服控制是一个非常耗时的过程。然而，通过完全在仪器FPGA上执行控制回路，即可实现最快的功率级收敛。如果将功率级伺服算法从嵌入式控制器中分离出来并在FPGA上执行，测试软件就可以利用并行测量机制进行并行测量，从而显著降低测试时间和测试成本。有关使用NI VST进行快速功耗测量的更多信息，请访问PA测试的FPGA 伺服控制
　　
　　PXI系统
　　提高增益和功率测量精度的一个重要技术是在仪器和待测PA之间使用小型 衰减器。在PA输入和输出功率上使用在线式固定衰减器，可以显著减少由于失配引起的功率不确定性，如图4所示。
　　
　　图4. 仪器和PA之间的衰减器有助于优化失配不确定性。