射频功率放大器PA的常见指标和测试方法

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身为射频工程师,射频前端中的功率放大器PA可以说是重中之重。作为无线通信系统中非常关键的器件,PA的主要功能是将小功率信号放大,得到一定大小的射频输出功率。因为无线信号在空气中有很大的衰减,为了通信业务质量的稳定,这势必就需要将已调制的信号放大到足够大再从天线发射出去,可以说任何无线通信系统都少不了它。我们把它称作射频前端器件皇冠上的明珠,其实一点也不为过。本文就来介绍一下射频功率放大器的常见指标及测试方法。

准备

在准备测试之前,我们有必要先准备好测试所需的设备和器件,如下:

功率计、信号源、频谱分析仪、滤波器、耦合器、衰减器、直流电源、数字波形发生器、测试或评估板、芯片若干、其他器件或设备

准备好了上面的这些,我们就可以参考下面的图示进行搭建测试环境了。

 
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测试环境搭建

在测试之前,我们有必要注意以下几点:

 

·  上电之前检查电路是否正常,避免发生短路危险以及是否有阻抗匹配问题;

·  在测试连接的过程中注意选择接上正确的衰减器,避免对设备和测试芯片造成损坏;

·  在发射射频信号之前,一定确定好射频连线没有问题;

·  正确设置仪器仪表的补偿值;

·  为了测试的准确性,对使用到的设备需要以同一个设备作为参考进行校准。

 

下面我们将和大家一起学习几个常见的指标的测试原理和测试方法。

最大输出功率

GSM模式的PA通常工作在非线性区,其输出功率Pout达到最大时,不会随着pin的增加而增加,而是随着vramp电压的增加而增加。通常,这种PA芯片我们在量产测试中需要测试其最大输出功率Pout max。为所有管脚提供正常电压,再加上所需的射频信号,调整vramp到最大,测出这时的信号大小。在GSM模式的功率测试中,需要特别注意的是我们采用12.5%的占空比进行功率测试。通常有两种方法可以达到所需的占空比,第一种是通过Tx Enable管脚电平波形的占空比来控制,第二种方法是通过射频信号的波形来控制,即burst波形。

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附加功率效率PAE

附加功率效率PAE指的是输出信号功率与输入信号功率之差与直流电源功耗的比值。通过这个指标可以看出一个放大器在功率转换的过程中的耗损情况。

这里需要特别注意的是输出功率和输入功率需要将dBm转换成mW或W再进行公式运算。

通过测量到的电压,电流,输入和输出功率带入上面的公式即可求出PAE。

Pin和Pout

通常,这种测试用于工作在线性区的PA,这个时候PA的pout会随着pin的增加而增加,理论上我们一定可以通过调整pin的大小使PA的pout达到我们想要的值,这个时候的pin就是我们测的值。当然,我们可以延伸出一种算法通过程序来测量,我们可以在测试之前给定一个小一些的pin值使这时的pout0小于目标pout,因为PA的pin和pout是线性的,我们可以再次将pin增加pout-pout0再观察是否达到目标pout,如果没有到达目标可以再根据目标pout和实际的pout的测量值而继续增加或减小pin,反复几次一般都会可以快速找到pin。

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这里大家要注意,在调整pin的过程中,最好是从小到大进行调整。

谐波

谐波测试,一般只需要测试2次和3次谐波即可,4次以后的谐波频率高衰减较大,因此功率也比较小,一般不需要测试。这里需要用到一个特别的器件滤波器,之所以会用到滤波器是因为PA的输出功率较大,即使加上衰减器对于仪器来说自身也会产生谐波影响PA谐波的测试,因此,在测试谐波时我们需要使用高通滤波器将载波过滤掉再进行谐波测试,参考上面的环境连接。最后,再根据相应频点测出相应的谐波,这样测出的谐波较为准确。

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ACLR和ACPR

相邻频道泄漏比(ACLR)和邻信道功率比(ACPR),他们其实同一个东西,他们是用来衡量邻频率信道中的干扰量或功率量的标准,它可以用来表征非线性程度的一个重要的指标。

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ACPR

在测试ACPR时,我们一般就需要用到带宽信号,这里我们可以使用相应调制方式的调制信号进行测试。一般我们选择左右邻近的四个信道进行测试即可。因为它是邻近信道和当前信道的比值,我们通常将其单位定为dBc。

EVM

EVM的全称是误差向量幅度(Error Vector Magnitude),它可以标准调制信号的幅度误差和相位误差,是衡量信号质量的一个重要的指标。如下图,它可以通过和理想信号的向量差值求得:

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EVM

在测试EVM时我们也需要准备好调制信号,将调制信号加到被测芯片之后,使用频谱分析仪选择正确的调制方式和参数进行测试。

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EVM测试

值得注意的是在测试EVM和ACLR时一定要注意合适的载波输入功率,如果输入功率过大就会造成线性度变差,EVM也会偏大。

近两年来国家高度重视半导体产业的发展。对于射频前端芯片产业与国外相比起步较晚,与之相比还是存在很大的差距,比如,skyworks、qorvo、Broadcom等这些国外大厂。不过,令人欣慰的是近些年射频前端芯片也有着不错的发展,比如,Vanchip、紫光展锐等,他们的产品也受到市场广泛的认可和应用,市场占有率也较为可观。相信在大家的努力下,一定会越来越好。

 

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