如何表征寬帶大功率放大器

用戶對(duì)更高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的需求正在飛速增長，因此業(yè)界需要開發(fā)能夠在更高頻率和更高階調(diào)制方案下實(shí)現(xiàn)大信號(hào)帶寬的現(xiàn)代化技術(shù)（如高通量衛(wèi)星和 5G 新空口）。然而，帶寬越大，帶給系統(tǒng)的噪聲就越多；調(diào)制方案越高階，則越容易受到噪聲的影響。

適當(dāng)?shù)男旁氡龋⊿NR）是維持通信鏈路質(zhì)量的關(guān)鍵。您需要提高信號(hào)電平并降低系統(tǒng)噪聲，從而保持鏈路的高質(zhì)量。大功率放大器是構(gòu)建射頻（RF）和微波通信系統(tǒng)的重要基石。它們在輸出大功率的同時(shí)也會(huì)給系統(tǒng)帶來非線性失真。因此，要想打造可靠的設(shè)計(jì)和出色的產(chǎn)品，關(guān)鍵是要表征寬帶大功率放大器的非線性特性。

本文重點(diǎn)介紹了如何測量寬帶大功率放大器的失真。探索如何為寬帶應(yīng)用執(zhí)行激勵(lì)－響應(yīng)測試，并介紹了一種表征射頻功率放大器的創(chuàng)新方法。

失真測量

激勵(lì)－響應(yīng)測量是一種評(píng)測失真的簡單方法。它們要求輸入一個(gè)激勵(lì)測試信號(hào)，然后采集輸出的響應(yīng)并進(jìn)行分析。激勵(lì)－響應(yīng)測試可幫助您了解射頻元器件在不同條件下的性能，從而確定最適合的設(shè)計(jì)折中方案。激勵(lì)－響應(yīng)測試包括互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）、諧波、三階互調(diào)（TOI）、鄰道功率（ACP）和誤差矢量幅度（EVM）等測試。

請(qǐng)按照以下三個(gè)步驟來表征您的設(shè)計(jì)并進(jìn)行問題診斷：

? 表征數(shù)字調(diào)制信號(hào)。您需要了解仿真波形的功率特征，以便將正確的幅度電平應(yīng)用到信號(hào)發(fā)生器上。您可以測量并比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的CCDF曲線，查看被測器件（DUT）的輸出是否被壓縮。

? 進(jìn)行失真測量。通過諧波失真、TOI失真和ACPR等測量來查看失真對(duì)頻譜的影響。

? 對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和問題診斷。您可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行解調(diào)分析和問題診斷。

接下來，我們將討論如何評(píng)測寬帶應(yīng)用中的失真性能——噪聲功率比（NPR）和調(diào)制失真測量。

NPR 測量

NPR 測量能夠?qū)ο到y(tǒng)、子系統(tǒng)和元器件的互調(diào)失真進(jìn)行客觀和定量的表征。

什么是 NPR ？

NPR 是一種失真測量，有助于確定沒有雜散的最大動(dòng)態(tài)范圍。在進(jìn)行NPR測量時(shí)，您需要生成條件噪聲并分析噪聲經(jīng)過被測器件后發(fā)生的變化。圖1描繪了NPR的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和測量結(jié)果。NPR輸入信號(hào)包含加性高斯白噪聲，使用陷波濾波器去除了一部分頻譜。具有非線性特性的被測器件會(huì)導(dǎo)致被測器件輸出端的頻譜陷波內(nèi)產(chǎn)生失真分量（紫色區(qū)域）。NPR是通帶內(nèi)所有互調(diào)產(chǎn)物之和與陷波中所有互調(diào)產(chǎn)物之和的比值。

圖1. 射頻功率放大器的NPR測量結(jié)果

要獲得準(zhǔn)確的NPR測量結(jié)果，激勵(lì)信號(hào)（輸入信號(hào)）的陷波必須深而尖，信號(hào)分析儀必須具有高動(dòng)態(tài)范圍。這些步驟確保測得的失真是來自被測器件，而不是來自信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀本身。

多音頻失真法

深而尖的陷波濾波器可能很難獲得。您也可以使用一個(gè)信號(hào)分析儀創(chuàng)建大量音頻來仿真寬帶噪聲，然后禁用部分音頻來生成陷波。不過，這些音頻也會(huì)在信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物，您需要采用先進(jìn)的校正程序來抑制帶內(nèi)和帶外的失真產(chǎn)物。

圖2顯示的多音頻失真軟件設(shè)置將會(huì)生成 100 MHz 帶寬多音頻信號(hào)，其中包含 1,001 個(gè)音頻，音頻間隔為100 kHz。在偏離NPR測試中心頻率10 MHz 處有一 個(gè) 10 MHz 陷波。圖3顯示了頻譜分析儀的測量結(jié)果。在 9.8 MHz 掃寬下，陷波處的噪聲功率為 -43.18 dBm。

圖2. 用于 NPR 測試的多音頻信號(hào)生成設(shè)置

圖3. 使用 PXA 信號(hào)分析儀進(jìn)行 NPR 測量

一旦多音頻生成軟件工具激活校正程序，頻譜分析儀就會(huì)測量陷波區(qū)域內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物。然后，該工具會(huì)重新計(jì)算并將校正后的多音頻波形下載到信號(hào)發(fā)生器中，從而最大限度減少互調(diào)產(chǎn)物。校正過程會(huì)重復(fù)進(jìn)行，直到互調(diào)產(chǎn)物低于目標(biāo)抑制水平。圖4 顯示，校正后的噪聲功率下降到了-60.29 dBm（改善了 17 dB）。先進(jìn)校正功能可以改善信號(hào)發(fā)生器導(dǎo)致的互調(diào)產(chǎn)物。您可以將校正面擴(kuò)展到被測器件的輸入端口，包括測試夾具中額外的有源元器件（如外部功率放大器）。

圖4. 改善 NPR 測試信號(hào)的陷波深

與模擬方法評(píng)測放大器和其他通信器件中的互調(diào)失真影響相比，這種確定 NPR 的數(shù)字方法由于能夠?yàn)?NPR 測量生成精確且可重復(fù)的激勵(lì)信號(hào)，在很多方面都更勝一籌。校準(zhǔn)后幅度平坦且準(zhǔn)確的信號(hào)、可預(yù)測且可重復(fù)的尖銳頻譜形狀、可以改善陷波深度的校正能力以及將測量面擴(kuò)展到被測器件等都讓數(shù)字方法更有優(yōu)勢。

調(diào)制失真測量

如圖5所示，在表征射頻寬帶元器件時(shí)，當(dāng)前常用的方法是使用兩種儀器——矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和信號(hào)發(fā)生器（SG）加上信號(hào)分析儀（SA）進(jìn)行激勵(lì)－響應(yīng)測試。VNA系統(tǒng)可提供S參數(shù)、增益壓縮、TOI和噪聲系數(shù)測量，表征射頻元器件的基本特征。SA+SG系統(tǒng)可提供CCDF、ACP、EVM和NPR測量。您需要在兩個(gè)測試系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)移被測器件，才能完成所有測試項(xiàng)目并校準(zhǔn)系統(tǒng)，獲得準(zhǔn)確、可重復(fù)的測量結(jié)果。

圖5. 表征射頻寬帶元器件的性能

新調(diào)制失真方法只需單次連接，便可使用 VNA 和矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）對(duì)射頻放大器進(jìn)行完整和準(zhǔn)確的表征。這種方法充分利用 VNA 的體系結(jié)構(gòu)在被測器件的輸入端和輸出端進(jìn)行失真測量（圖6）。測試系統(tǒng)可持續(xù)測量輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。它還會(huì)計(jì)算頻譜相關(guān)性，從而能夠?qū)⑤敵鲱l譜分解為線性相關(guān)頻譜和非線性失真頻譜。

圖6.  調(diào)制失真測量方框圖