在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中進(jìn)行精確的非線性測(cè)量

隨著日益增加的智能手機(jī)和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)3G覆蓋范圍以及4G系統(tǒng)即將引入帶來(lái)的持續(xù)壓力，數(shù)字通信射頻組件的設(shè)計(jì)活動(dòng)越來(lái)越豐富。設(shè)計(jì)活動(dòng)的前沿在于功率放大器(PA)的開發(fā)。PA設(shè)計(jì)工程師面對(duì)的首要問(wèn)題是功率所增加的效率(PAE)。高PAE意味著：

• 移動(dòng)設(shè)備的電池壽命增加

• 基站天線覆蓋面最大化，網(wǎng)絡(luò)提供商的電費(fèi)降低

• 能夠以更高的價(jià)格出售性能更高的器件，最終實(shí)現(xiàn)每晶圓片更高的收益回報(bào)

數(shù)字調(diào)制方案(如PSK、QAM以及OFDM)可實(shí)現(xiàn)高峰均比(PAR)的調(diào)制射頻載波。PA設(shè)計(jì)工程師必須考慮放大具有高PAR的通信信號(hào)的后果，同時(shí)保持線性和可接受的誤差矢量幅值(EVM)率。線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)提供關(guān)于線性條件下工作的功率放大器性能的基本信息。然而，當(dāng)PA設(shè)計(jì)用于高功率級(jí)的壓縮非線性工作時(shí)，VNA必須提供額外數(shù)據(jù)。

VNA能夠測(cè)量主動(dòng)和被動(dòng)器件及系統(tǒng)的S參數(shù)。測(cè)量主動(dòng)器件時(shí)，測(cè)量在線性增益小型信號(hào)器件上進(jìn)行。測(cè)量小型信號(hào)放大器時(shí)，Anritsu(安立)的線性VectorStar VNA可提供內(nèi)置功能，全面分析主動(dòng)器件。表1概列了VectorStar MS4640A系列的性能。

非線性VNA的一個(gè)重要功能在于不僅可測(cè)量諧波含量，還可測(cè)量基頻信號(hào)，提供性能數(shù)據(jù)，從而有助于實(shí)現(xiàn)最佳的非線性PA設(shè)計(jì)。此外，非線性分析的一個(gè)關(guān)鍵要素是負(fù)載牽引測(cè)量，尤其是諧波負(fù)載牽引的測(cè)量。負(fù)載牽引分析對(duì)于適當(dāng)提升主動(dòng)器件的性能十分必要。為優(yōu)化非線性器件性能，提供給器件的匹配必須在基頻和諧波頻率方面均加以優(yōu)化。

表1 VectorStar MS4640A系列性能

Anritsu/HFE 非線性 VectorStar VNA

VectorStar非線性系統(tǒng)提供可選被動(dòng)或主動(dòng)調(diào)諧器。主動(dòng)調(diào)諧器的重要優(yōu)勢(shì)在于，能夠?qū)Ρ粶y(cè)器件(DUT)提供全范圍負(fù)載，確保最佳性能。這對(duì)于非線性器件尤為重要，因?yàn)楹芏嗉?jí)別的非線性運(yùn)行要求諧波反射伽瑪為 1，以實(shí)現(xiàn)最佳性能(圖1)。

圖 1 非線性VectorStar工作示意圖

為什么選擇非線性器件?

非線性功率放大器的設(shè)計(jì)從晶片級(jí)開始。片上器件最終嵌入一個(gè)50Ω系統(tǒng)。片上主動(dòng)器件的輸入阻抗并非50Ω，而大多數(shù)高功率器件的輸出阻抗通常在1 到2Ω之間。為將片上器件的輸入和輸出轉(zhuǎn)換至50Ω系統(tǒng)，需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。由于器件諧波含量大，匹配網(wǎng)絡(luò)必須包括基頻和諧波頻率組件的最佳匹配。提供關(guān)于相對(duì)于源和負(fù)載阻抗的器件性能的信息是非線性VNA測(cè)量系統(tǒng)的主要目標(biāo)。因此，負(fù)載牽引流程是非線性測(cè)量系統(tǒng)的核心。

典型的負(fù)載牽引系統(tǒng)將耦合器定位于調(diào)諧器外部，監(jiān)控器件隨調(diào)諧器阻抗變化的功率輸出。此方法要求預(yù)先校準(zhǔn)調(diào)諧器。典型負(fù)載牽引設(shè)置的測(cè)量精度取決于校準(zhǔn)后調(diào)諧器、電纜和接頭的可重復(fù)性。這種傳統(tǒng)配置內(nèi)的調(diào)諧器由供應(yīng)商提供的校準(zhǔn)和控制軟件進(jìn)行控制，存在調(diào)諧器軟件與非線性 VNA軟件之間關(guān)系復(fù)雜的問(wèn)題。由于很多器件需要進(jìn)行大面積史密斯圖表調(diào)諧，校準(zhǔn)往往需要數(shù)小時(shí)。

通過(guò)在DUT和調(diào)諧器之間插入一個(gè)超低損耗耦合器，Anritsu/HFE 系統(tǒng)重新定義負(fù)載牽引測(cè)量。由于VectorStar系統(tǒng)將耦合器定位于DUT旁，因此可實(shí)現(xiàn)DUT源和負(fù)載阻抗的高精度測(cè)量。此外，還提供了同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控阻抗和DUT性能的方法，實(shí)現(xiàn)回應(yīng)即時(shí)顯示和實(shí)時(shí)調(diào)諧。該方法也避免了需要預(yù)先校準(zhǔn)的麻煩。

圖2 相對(duì)諧波負(fù)載阻抗的PAE性能典型標(biāo)繪

諧波負(fù)載牽引的需要

圖2是相對(duì)于諧波負(fù)載阻抗的PAE性能的典型標(biāo)繪?？煽吹?，隨著第二諧波在一個(gè)特定相角終止，PAE得以優(yōu)化。而且，最佳PAE和最小PAE彼此十分相近。這也是諧波負(fù)載牽引對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)至為關(guān)鍵的另一原因。它不僅可確定最佳PAE、增益和最大功率的位置，還可識(shí)別應(yīng)避免的區(qū)域。此情況下，若設(shè)計(jì)限制導(dǎo)致匹配網(wǎng)絡(luò)變化達(dá)50˚，則應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，使網(wǎng)絡(luò)充分遠(yuǎn)離Imax 點(diǎn)，以確?？山邮艿男阅?。

實(shí)現(xiàn)高精度的高伽瑪

非線性運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求之一是需要將諧波完全反射回器件，以便減少輸出諧波含量，提高PAE性能。這意味著，在進(jìn)行負(fù)載牽引流程的分析時(shí)，諧波必須在器件輸出實(shí)現(xiàn)完全反射。當(dāng)負(fù)載牽引調(diào)諧器提供最大反射時(shí)，在調(diào)諧器與器件之間的任何插入損失都會(huì)導(dǎo)致器件的伽瑪降低。此等測(cè)量皆為使用探測(cè)臺(tái)和探頭尖的在片測(cè)量。由于長(zhǎng)射頻線和高損失探頭尖，這些系統(tǒng)的插入損失相當(dāng)大，遠(yuǎn)不能達(dá)到器件的理想伽瑪要求。

Anritsu/HFE 主動(dòng)調(diào)諧器為非線性器件提供最佳伽瑪

Anritsu/HFE非線性系統(tǒng)可使用被動(dòng)或主動(dòng)調(diào)諧器安裝。配置Anritsu/HFE主動(dòng)回路調(diào)諧器后，可在DUT端口實(shí)現(xiàn)高達(dá)1的伽瑪。圖 3為主動(dòng)回路調(diào)諧器配置的一個(gè)實(shí)例。請(qǐng)注意，被動(dòng)和主動(dòng)調(diào)諧器可組合應(yīng)用，在預(yù)算允許時(shí)，可分階段從被動(dòng)調(diào)諧器升級(jí)至主動(dòng)調(diào)諧器。

圖3 主動(dòng)回路調(diào)諧器配置實(shí)例

負(fù)載牽引分析和模型模擬

負(fù)載牽引分析提供實(shí)際條件下工作器件的測(cè)量數(shù)據(jù)。假定器件代表同一晶片(以及后續(xù)晶片)上所有器件的典型性能，則該測(cè)量數(shù)據(jù)可用于為器件產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳網(wǎng)絡(luò)。另外，該數(shù)據(jù)可導(dǎo)出到EDA程序，用于創(chuàng)建、運(yùn)行或改善模型。

OpenWave開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式

由于非線性測(cè)量可得到大量數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)應(yīng)適當(dāng)格式化，使其便于存儲(chǔ)、打開和查看，以靈活的方式組織，易于共享。創(chuàng)建非線性開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式正是為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。OpenWave 論壇(OWF)是由射頻和微波公司組成的協(xié)會(huì)，旨在為大型信號(hào)非線性模擬、測(cè)量和建模合作開發(fā)、創(chuàng)建和推廣統(tǒng)一透明的數(shù)據(jù)交換格式。作為該論壇創(chuàng)始成員之一的Anritsu和HFE將參與確定該開放標(biāo)準(zhǔn)，并將其要求整合進(jìn)MMSNT_LP軟件。

MMSNT_LP軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)為多文件多視圖應(yīng)用軟件。每個(gè)文件代表一個(gè)特定的測(cè)量任務(wù)。得益于前述設(shè)計(jì)，該軟件能夠在一個(gè)屏幕上同時(shí)顯示功率掃描曲線、時(shí)間域波形、負(fù)載牽引等高線圖、眼狀圖以及I/V參數(shù)。每個(gè)文件都可控制主應(yīng)用程序菜單和工具條的呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面。各個(gè)測(cè)量由相應(yīng)窗口觸發(fā)和更新。

校準(zhǔn)選擇

非線性系統(tǒng)的校準(zhǔn)由MMSNT_LP軟件控制。使用的校準(zhǔn)技術(shù)基于計(jì)算機(jī)對(duì)拓樸條件的分析，能夠產(chǎn)生優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)序列，引導(dǎo)用戶完成校準(zhǔn)程序。廣泛的校準(zhǔn)選件能夠?yàn)榻o定的接頭情況提供最佳的精度選擇。

微差測(cè)量

主動(dòng)回路模塊的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于能夠?yàn)椴钗⑵骷呢?fù)載牽引測(cè)量升級(jí)系統(tǒng)。由于能夠主動(dòng)監(jiān)控器件的實(shí)時(shí)阻抗，因此也可主動(dòng)獨(dú)立地將器件輸入調(diào)諧至特定位置。對(duì)于差微器件，這意味著可主動(dòng)控制差分輸入，并調(diào)諧處于不同源和負(fù)載條件下的器件。圖4為典型微差設(shè)置的方塊圖。

圖4 典型微差設(shè)置方塊圖

總結(jié)

Anritsu/HFE VectorStar 非線性測(cè)量系統(tǒng)能夠?yàn)榉蔷€性器件提供靈活、強(qiáng)大而經(jīng)濟(jì)的負(fù)載牽引分析。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輕松的非線性測(cè)量，同時(shí)提供獨(dú)特的負(fù)載牽引測(cè)量能力?？煞蛛A段實(shí)施升級(jí)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)包括提供真正平衡微差測(cè)量的多諧波主動(dòng)回路非線性負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)。