通信體系下微波放大器的測試方案分析

王倩

關(guān)鍵詞：放大器測試通信

微波放大器是很多通信系統(tǒng)的核心組件之一，在5G以及4G等諸多體系中都被廣泛應用，是保證信號質(zhì)量的一個重要支持力量[1]。在當前的信息時代背景之下，社會對通信的傳輸速率提出更高的要求。在對應的5G工作體系中，微波放大器較4G環(huán)境中所承擔的職責也有差異，需要能夠在更高的載波頻率以及5G調(diào)制信號環(huán)境中進行工作，而對應的諸如線性度、信噪比、誤差矢量幅度EVM、放大效率和穩(wěn)定性等相關(guān)參數(shù)，也都提出了更高的要求。鑒于此，在5G通信環(huán)境下，就需要對微波放大器在檢測方面加強建設(shè)，確保其能夠達到對應的性能標準，以便正常投入工作[2]。

一般而言，微波放大器的很多性能參數(shù)都被認定為線性，但實際上，也有很多特征呈現(xiàn)出非線性的屬性，因此在對微波放大器進行測試時，就需要切實考察其屬性，合理布局測試內(nèi)容。具體而言，諸如S參數(shù)、增益壓縮、諧波失真以及數(shù)字矢量調(diào)制誤差特性等，都應當包括在放大器的測試工作范圍之中。

1S參數(shù)測試

對于處于線性區(qū)域工作的微波放大器而言，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀就可以對其增益、輸入/輸出匹配和隔離度等特征屬性進行測定。具體的測定方法與一般情況下對無源性元器件的測定方法大體一致，即在被測試元件DUT的一個端口上加入激勵，而后測量對應的傳輸信號，并且計算出對應的S參數(shù)。在這個測試方案中有一個假設(shè)，即被測試元器件必須是一個線性元件，否則用此種方案進行參數(shù)測試就無法獲取準確結(jié)果。因此，在展開測試之前，必須首先明確元件的線性工作區(qū)以及增益等數(shù)據(jù)。測試原理見圖1。

2增益壓縮測試

對于工作在非線性狀態(tài)之下的微波放大器而言，能夠反映工作性能的核心指標是增益壓縮，即指當輸入功率提升時所帶來的增益衰減，這個概念考察的是當增益發(fā)生單位變化的時候，對應的功率上升值。在具體的測試中，同樣采用傳統(tǒng)方案開展工作，即在待測頻點的線性區(qū)域施加特定功率的載波信號，并且用功率計對輸出功率進行測定，獲取對應的功率增益。而后不斷調(diào)整源頭功率輸出，一直到增益保持在1dB水平，從而獲取對應的壓縮功率。對應的測試結(jié)構(gòu)參見圖2。

除了上述傳統(tǒng)測試方案以外，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀也能展開壓縮功率的測試工作。具體而言是選用圖1中的測試結(jié)構(gòu)，但是為了防止經(jīng)過放大器之后的輸出功率過高而導致網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端口損傷，需要在接收端口加裝一個衰減器。在測試時，首先設(shè)定起始頻點，將網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定為功率掃描模式，并將游標的頻率值作為功率掃描的固定頻率，這樣就可以獲取線性區(qū)域到非線性區(qū)域的功率掃描軌跡。為了進一步通過特征點的標定，需要確定對應壓縮功率。此測試方式比傳統(tǒng)方式更為快捷簡單，因此在目前廣為沿用。

3失真測試

在微波放大器的實際工作中，失真包括諧波失真和互調(diào)失真，對應的測試工作也必須區(qū)分對待。

諧波測試是用一個信號源作為激勵，而后用頻譜儀來測量輸出功率，并且得到對應的諧波幅度。為了能夠準確獲取失真情況，捕捉對應的基波和諧波幅度，頻譜儀的掃頻范圍需要從基波頻率開始，不斷向高次諧波頻率進行調(diào)整，并且不斷縮小頻帶寬。其具體的測試邏輯結(jié)構(gòu)參見圖3。

在放大器領(lǐng)域，窄帶放大器有著相對獨立的特征。雙音激勵之下的三階交調(diào)失真是突出的失真指標，其也被稱之為互調(diào)失真IMD。所謂交調(diào)就是指功率放大器的輸入信號包括多個頻率的時候，因為放大器非線性的工作特征，導致輸出信號中除了原有頻率，還會存在新的頻率（即交調(diào)分量），對應的失真稱為交調(diào)失真。在實際工作中，可以用兩路信號源以及合路器來實現(xiàn)對于交調(diào)參數(shù)的確定，參見圖4。

就目前的技術(shù)發(fā)展而言，更多的先進設(shè)備開始應用到該領(lǐng)域中，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于放大器三階交調(diào)的直接測定。具體的工作原理和傳統(tǒng)測試方案基本一致———能夠產(chǎn)生兩個源信號，進行合成之后加載到被測試的系統(tǒng)中，從而產(chǎn)生對應的信號被矢量接收機所接收，進而獲取三階互調(diào)相關(guān)參數(shù)。

4數(shù)字預失真測試

數(shù)字預失真（DPD，DigitalPre?Distortional）指的是由于放大器本身的非線性特征會隨著輸入功率的不斷增加，而呈現(xiàn)出功率放大衰減的特征。隨著放大器這種工作特征的出現(xiàn)，隨之引發(fā)諸多問題（包括增益的線性度下降、誤差矢量幅度和鄰道功率泄漏比等參數(shù)問題）并且不斷惡化。針對此問題，可以在放大器前面增加預失真器，用以實現(xiàn)對于放大器非線性特征的補償。當信號經(jīng)過預失真器之后，再進入到放大器級聯(lián)系統(tǒng)的時候，就會降低失真，理想的情況下甚至可以消除失真，從而實現(xiàn)線性化。此技術(shù)本身屬于開環(huán)技術(shù)，在穩(wěn)定性和成本等方面都表現(xiàn)良好。

針對數(shù)字預失真的測試，需要采用DPD和不采用DPD兩種狀態(tài)下分別獲取誤差矢量幅度和鄰道功率泄漏比等相關(guān)數(shù)據(jù)[3]，從而才能通過對比定量分析DPD功能效果，最終確定何種數(shù)字預失真器最適合當前系統(tǒng)。

5噪聲系數(shù)測試

對于放大器而言，噪聲系數(shù)測試是涉及相對較少的一個測試環(huán)節(jié)。但是，如果放大器被應用在接收機或者其他一些對噪聲要求比較高的環(huán)境中，還是需要進行噪聲系數(shù)測試[4]。低噪聲放大器的典型增益范圍需要保持在10～20dB，由多級低噪聲放大器組成的低噪聲模塊可以在系統(tǒng)中產(chǎn)生更高的增益。噪聲測試原理參見圖5。在進行噪聲測試的時候，用噪聲分析設(shè)備的探頭機型進行測試可以獲取對應的噪聲系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

6功率附加效率測試

如果在通信系統(tǒng)中大量使用放大器，效率就會成為關(guān)乎整個系統(tǒng)運行狀況和能耗等方面的關(guān)鍵指標，其標志著放大器需要消耗多少直流功率才能轉(zhuǎn)化出對應的射頻功率。較為常用的效率表述方式是用功率附加效率（PAE，PowerAddedEfficiency）。

PAE的定義是：被測試的放大器的輸出功率與輸入功率的差值與直流加載功率的比值，單位為百分比，其實際工作原理可以參見圖2。在進行測試的時候，需要將信號源以特定的輸入功率加載在測試放大器上，放大器由直流電源進行驅(qū)動[5]，并且由功率計對輸出功率進行測定，驅(qū)動電源則可以反饋對應的驅(qū)動動力數(shù)據(jù)，從而計算出對應的PAE值。

此外，線性狀態(tài)下的放大器的直流功率保持恒定常值，對應的PAE數(shù)據(jù)會隨著輸入功率的增加而不斷提升，一直到放大器進入到非線性工作狀態(tài)，并且產(chǎn)生對應的增益壓縮。

7數(shù)字調(diào)制矢量誤差特征測試

誤差矢量幅度又叫誤差向量幅度（EVM，ErrorVectorMagnitude），即壓縮失真信號與期望幅度之間的差值，該誤差差值包括相位誤差和幅度誤差兩個部分，是研究放大器增益壓縮對復雜調(diào)制信號影響程度的一個重要參數(shù)。放大器所支持的數(shù)字調(diào)制方式?jīng)Q定了測試時射頻矢量信號源和頻譜分析儀的調(diào)制方式，并且利用其所產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制信號，用頻譜分析儀對需要測試的放大器所產(chǎn)生的輸出信號進行解調(diào)，以此獲取對應的數(shù)字調(diào)制矢量誤差參數(shù)。最后處理測試結(jié)果，并消除在測試過程中所產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制矢量誤差，據(jù)此獲取調(diào)制矢量誤差。具體測試原理結(jié)構(gòu)參見圖6。

在圖6結(jié)構(gòu)的支持之下，同樣可以展開對于功率以及頻譜特征參數(shù)的測試———將頻譜分析儀設(shè)定為測量模式，對輸出功率以及鄰道功率比和鄰道泄漏比進行測量，即可獲取對應的結(jié)果。

在通信系統(tǒng)中，想要保證放大器滿足系統(tǒng)需求，必須從微觀角度出發(fā)，深入考察每一個細節(jié)，并加強檢測，從而提升放大器的適用性和整體質(zhì)量水平。除了上述幾個測試內(nèi)容，圍繞能量的包絡(luò)跟蹤測試能夠依據(jù)射頻信號的包絡(luò)實現(xiàn)對供電的調(diào)節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)能耗并且改善散熱壓力。雖然不會直接影響通信質(zhì)量，但這同樣是放大器不容忽視的測試內(nèi)容。由于篇幅限制，在此不再討論。

除此以外，在測試的過程中，還特別應當注意加強對被測設(shè)備以及測試工具的安全保護工作[6]，認真考察其所能承受的測試范圍，避免出現(xiàn)燒壞、損毀情況。