在調制數字系統中進行精確的非線性測量

隨著日益增加的智能手機和無線互聯網3G覆蓋范圍以及4G系統即將引入帶來的持續壓力，數字通信射頻組件的設計活動越來越豐富。設計活動的前沿在于功率放大器(PA)的開發。PA設計工程師面對的首要問題是功率所增加的效率(PAE)。高PAE意味著：

? 移動設備的電池壽命增加

? 基站天線覆蓋面最大化，網絡提供商的電費降低

? 能夠以更高的價格出售性能更高的器件，最終實現每晶圓片更高的收益回報

數字調制方案（如PSK、QAM以及OFDM）可實現高峰均比(PAR)的調制射頻載波。PA設計工程師必須考慮放大具有高PAR的通信信號的后果，同時保持線性和可接受的誤差矢量幅值(EVM)率。線性矢量網絡分析儀(VNA)提供關于線性條件下工作的功率放大器性能的基本信息。然而，當PA設計用于高功率級的壓縮非線性工作時，VNA必須提供額外數據。

VNA能夠測量主動和被動器件及系統的S參數。測量主動器件時，測量在線性增益小型信號器件上進行。測量小型信號放大器時，Anritsu（安立）的線性VectorStar VNA可提供內置功能，全面分析主動器件。表1概列了VectorStar MS4640A系列的性能。

非線性VNA的一個重要功能在于不僅可測量諧波含量，還可測量基頻信號，提供性能數據，從而有助于實現最佳的非線性PA設計。此外，非線性分析的一個關鍵要素是負載牽引測量，尤其是諧波負載牽引的測量。負載牽引分析對于適當提升主動器件的性能十分必要。為優化非線性器件性能，提供給器件的匹配必須在基頻和諧波頻率方面均加以優化。

表1 VectorStar MS4640A系列性能



Anritsu/HFE 非線性 VectorStar VNA

VectorStar非線性系統提供可選被動或主動調諧器。主動調諧器的重要優勢在于，能夠對被測器件(DUT)提供全范圍負載，確保最佳性能。這對于非線性器件尤為重要，因為很多級別的非線性運行要求諧波反射伽瑪為 1，以實現最佳性能（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計從晶片級開始。片上器件最終嵌入一個50Ω系統。片上主動器件的輸入阻抗并非50Ω，而大多數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換至50Ω系統，需要一個匹配網絡。由于器件諧波含量大，匹配網絡必須包括基頻和諧波頻率組件的最佳匹配。提供關于相對于源和負載阻抗的器件性能的信息是非線性VNA測量系統的主要目標。因此，負載牽引流程是非線性測量系統的核心。

典型的負載牽引系統將耦合器定位于調諧器外部，監控器件隨調諧器阻抗變化的功率輸出。此方法要求預先校準調諧器。典型負載牽引設置的測量精度取決于校準后調諧器、電纜和接頭的可重復性。這種傳統配置內的調諧器由供應商提供的校準和控制軟件進行控制，存在調諧器軟件與非線性VNA軟件之間關系復雜的問題。由于很多器件需要進行大面積史密斯圖表調諧，校準往往需要數小時。

通過在DUT和調諧器之間插入一個超低損耗耦合器，Anritsu/HFE 系統重新定義負載牽引測量。由于VectorStar系統將耦合器定位于DUT旁，因此可實現DUT源和負載阻抗的高精度測量。此外，還提供了同時實時監控阻抗和DUT性能的方法，實現回應即時顯示和實時調諧。該方法也避免了需要預先校準的麻煩。



圖2 相對諧波負載阻抗的PAE性能典型標繪

諧波負載牽引的需要

圖2是相對于諧波負載阻抗的PAE性能的典型標繪。可看到，隨著第二諧波在一個特定相角終止，PAE得以優化。而且，最佳PAE和最小PAE彼此十分相近。這也是諧波負載牽引對于優化設計至為關鍵的另一原因。它不僅可確定最佳PAE、增益和最大功率的位置，還可識別應避免的區域。此情況下，若設計限制導致匹配網絡變化達50?，則應謹慎設計，使網絡充分遠離Imax 點，以確保可接受的性能。

實現高精度的高伽瑪

非線性運行的設計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，在進行負載牽引流程的分析時，諧波必須在器件輸出實現完全反射。當負載牽引調諧器提供最大反射時，在調諧器與器件之間的任何插入損失都會導致器件的伽瑪降低。此等測量皆為使用探測臺和探頭尖的在片測量。由于長射頻線和高損失探頭尖，這些系統的插入損失相當大，遠不能達到器件的理想伽瑪要求。

Anritsu/HFE 主動調諧器為非線性器件提供最佳伽瑪

Anritsu/HFE非線性系統可使用被動或主動調諧器安裝。配置Anritsu/HFE主動回路調諧器后，可在DUT端口實現高達1的伽瑪。圖3為主動回路調諧器配置的一個實例。請注意，被動和主動調諧器可組合應用，在預算允許時，可分階段從被動調諧器升級至主動調諧器。

圖3 主動回路調諧器配置實例

負載牽引分析和模型模擬

負載牽引分析提供實際條件下工作器件的測量數據。假定器件代表同一晶片（以及后續晶片）上所有器件的典型性能，則該測量數據可用于為器件產品設計最佳網絡。另外，該數據可導出到EDA程序，用于創建、運行或改善模型。

OpenWave開放標準數據格式

由于非線性測量可得到大量數據，因此，數據應適當格式化，使其便于存儲、打開和查看，以靈活的方式組織，易于共享。創建非線性開放標準數據格式正是為實現這些目標。OpenWave 論壇(OWF)是由射頻和微波公司組成的協會，旨在為大型信號非線性模擬、測量和建模合作開發、創建和推廣統一透明的數據交換格式。作為該論壇創始成員之一的Anritsu和HFE將參與確定該開放標準，并將其要求整合進MMSNT_LP軟件。

MMSNT_LP軟件架構設計為多文件多視圖應用軟件。每個文件代表一個特定的測量任務。得益于前述設計，該軟件能夠在一個屏幕上同時顯示功率掃描曲線、時間域波形、負載牽引等高線圖、眼狀圖以及I/V參數。每個文件都可控制主應用程序菜單和工具條的呈現，從而實現友好的用戶界面。各個測量由相應窗口觸發和更新。

校準選擇

非線性系統的校準由MMSNT_LP軟件控制。使用的校準技術基于計算機對拓樸條件的分析，能夠產生優化的標準序列，引導用戶完成校準程序。廣泛的校準選件能夠為給定的接頭情況提供最佳的精度選擇。

微差測量

主動回路模塊的另一個優勢在于能夠為差微器件的負載牽引測量升級系統。由于能夠主動監控器件的實時阻抗，因此也可主動獨立地將器件輸入調諧至特定位置。對于差微器件，這意味著可主動控制差分輸入，并調諧處于不同源和負載條件下的器件。圖4為典型微差設置的方塊圖。


圖4 典型微差設置方塊圖

總結

Anritsu/HFE VectorStar 非線性測量系統能夠為非線性器件提供靈活、強大而經濟的負載牽引分析。該系統能夠實現輕松的非線性測量，同時提供獨特的負載牽引測量能力。可分階段實施升級，實現一個包括提供真正平衡微差測量的多諧波主動回路非線性負載牽引測量系統。