想要确保设计具有高效率，同时提高功率放大器的线性度，必须克服一系列挑战。随着5G时代的到来，业界转向采用毫米波（mmWave）频率和宽信号带宽，设计人员为优化设计而需要执行更复杂的表征测试，这一切都使得挑战变得更加严峻。本文探讨了表征功率放大器的各种方法，并提供了几个测量示例。
现代通信系统采用正交频分复用（OFDM）波形进行数字信号解调。然而，OFDM波形的线性度并不高，在解调过程中容易产生误差，引发信号质量问题。如果设备内部的元器件（例如功率放大器，PA）能效也不高，那么还会影响电池续航时间。想要确保设计具有高效率，同时提高功率放大器的线性度，必须克服一系列挑战。随着5G时代的到来，业界转向采用毫米波（mmWave）频率和宽信号带宽，设计人员为优化设计而需要执行更复杂的表征测试，这一切都使得挑战变得更加严峻。本文探讨了表征功率放大器的各种方法，并提供了几个测量示例。
行业通行做法
业内通常使用两个工作站进行功率放大器表征。一个工作站使用矢量网络分析仪（VNA）执行基础的表征测量，如S参数、增益压缩、三阶交调（IP3）等，有时还包括噪声系数。另一个工作站包含信号发生器和信号分析仪，用于测量误差矢量幅度（EVM）和邻道功率比（ACPR），后者是衡量功率放大器非线性度的指标（图 1）。设备先由 VNA 进行测试，再由另一个工作站进行测试。
图1:功率放大器表征通常分两步实施设置。
由于5G使用毫米波频谱中较高的频率――称为FR2，并且OFDM信号具有较高的带宽，因此功率放大器的EVM测量要比过去难得多。
传统方法在测量5G设备的EVM时需要先使用信号发生器进行信号调制。信号发生器可以提供专用的 5G 新空口（NR）调制方案，其中包含前导码、导频和数据。接着，您需要捕获波形，并使用专用方案对其进行解调，绘制星座图，再测量理想星座图与实测星座图之间的误差，从而确定 EVM 值。
但是在5G FR2场景中，由于载波频率范围很宽，残余EVM（即测试系统的 EVM）与设备的EVM非常接近。捕获的宽带信号包含宽带噪声。带宽越大，信噪比（SNR）就越低。电缆损耗和高频响应也会导致信号质量下降，而高SNR则加大了自动测试的难度。
调制失真系统说明
近来业界出现了一种新的功率放大器表征方法，称为调制失真，它可以解决传统方法存在的问题。调制失真系统由一个工作站构成，其中含有VNA和信号源，能够执行所有VNA测量以及ACPR和EVM测量（图 2）。
图2. 用于表征功率放大器的调制失真系统。
调制失真系统首先会生成激励信号，这个信号被称为压缩测试信号。VNA固件会在原始波形中选择一个可以代表该波形统计特征的片段，然后使用矩形滤波器消除频谱泄漏。尽管只使用了一个波形片段，但压缩测试信号的频率特征与原信号是一样的。两个信号的互补累积分布函数（CCDF）可能略有差异，但是测试信号越长的话，两者之间的差异会越小，对测量速度的影响微乎其微。
使用压缩测试信号激励设备之后，您可以执行频域分析，测量设备的非线性度。通过同时测量输入和输出，测量结果可以保持一致。此外，您还可以使用矢量校正尽量减少测量系统失配所导致的误差。
在测量宽带信号时，由于VNA数字化仪存在带宽限制，因此无法一次性对整个频段进行测量。为了解决这个问题，VNA每30 MHz带宽测量一次，然后移动本地频率捕获有用频段中的所有频谱。
频谱关联技术可以将输出信号频谱分解为线性部分和失真部分，以便计算EVM 和ACPR等技术指标。ACPR根据带内和相邻频段的信道功率来计算，EVM则通过对测量结果中的带内失真频谱进行积分来计算。从数学角度上来说，通过频域计算EVM与通过时域计算EVM原理是一样的，都可以用帕塞瓦尔（Parseval）定理来解释。
在传统系统中，信号发生器和分析仪会对设备施加激励，然后在时域中捕获信号，并通过绘制星座图来计算EVM。调制失真系统与之相反，它先是生成压缩波形，再重复输出这个压缩测试信号来激励设备，在频域中捕获输入和输出频谱，最后将输出频谱分解为线性部分和失真部分来计算EVM。
这个系统能够更简单、更轻松地准确表征功率放大器对失真的影响，尤其是在宽带应用中。系统动态范围越宽，所产生的残余EVM就较低，而VNA校准技术则可在被测器件（DUT）输入端实现较高的信号保真度。这种调制失真测量方法不仅可以提高测量速度，同时还可提供一致的测量结果。
两种方法的测量示例
我们来看几个具体的测量示例（图 3）。
图3. 使用不同波形对同一被测器件进行功率扫描的测量结果。
在上述测量中，我们分别使用传统方法（橙色）和调制失真方法（蓝色）来表征同一个被测器件。通过对输出功率（Pout）[单位：dBm] 进行细致的表征，我们可以实现一一对应的比较。
这两种方法在使用100 MHz QPSK波形时可以得到一致的测量结果。但如果使用 100 MHz 64QAM 波形，在功率放大器失真比较严重的大功率区域，两者的结果会略有不同。这是因为在使用传统方法进行解调时会发生符号跳跃，产生误差。
对于64QAM之类的密集星座图来说，如果误差大于QAM星座图的间距，那么采用传统方法测得的EVM会偏低。通过400 MHz QPSK测量结果可以发现，在大功率非线性区域也有同样的问题。
在小功率区域，调制失真方法的EVM测量结果也更准确，因为VNA的本底噪声较低。400 MHz 64QAM 波形的测量结果同样如此。
图4为采用调制失真系统对5G FR2 100 MHz 4CC信号进行测量的其他示例。该系统可以计算每个载波的EVM以及整个频段的ACPR。
图4. 5G FR2 4CC信号测量。
图5为采用调制失真方法进行的脉冲测量示例。使用脉冲压缩测试信号作为激励时，您可以利用该信号实现同步测量，并触发SMU同步测量偏置电压。采用调制失真系统进行脉冲测量非常简单。
图 5. 5G NR 400 MHz信号的脉冲测量。
虽然5G技术非常复杂，但功率放大器的EVM测量并不复杂。在测量功率放大器的EVM和ACPR时，调制失真系统比传统方法更简单易用，而且准确性也更高。
作者：Jessy Cavazos 是德科技（Keysight）
责编：Amy Guan
本文为《电子工程专辑》2020年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅
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