功率放大器（PA）是通信系統(tǒng)中射頻鏈路質(zhì)量的重要貢獻(xiàn)者。線(xiàn)性度對(duì)于具有高峰均比(PAPR)信號(hào)的系統(tǒng)至關(guān)重要。射頻鏈路的非線(xiàn)性響應(yīng)直接影響解調(diào)誤差，導(dǎo)致誤碼率變差。此外，非線(xiàn)性會(huì)產(chǎn)生頻譜再生，從而導(dǎo)致對(duì)其他頻段的干擾，因此保持射頻鏈的線(xiàn)性度對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信的質(zhì)量至關(guān)重要。
PA還會(huì)影響無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的功耗，其功耗或功率效率直接影響無(wú)線(xiàn)通信的服務(wù)質(zhì)量。效率低下的PA會(huì)很快消耗有限的電池壽命，從而影響服務(wù)質(zhì)量。
為了量化調(diào)制信號(hào)激勵(lì)條件下的 PA 非線(xiàn)性性能，通常使用誤差矢量幅度 (EVM) 作為帶內(nèi)失真的考量，而鄰道功率比（ACPR）則用來(lái)衡量帶外特性。本文介紹調(diào)制激勵(lì)條件下表征 PA 非線(xiàn)性的挑戰(zhàn)及創(chuàng)新方法。
一、功率放大器表征的挑戰(zhàn)
5G的應(yīng)用帶來(lái)通信技術(shù)的革命性變革。無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)對(duì)系統(tǒng)完整性、電源效率和設(shè)備可靠性的重視持續(xù)增長(zhǎng)。5G系統(tǒng)需要更快地開(kāi)發(fā)高度集成、可靠的射頻設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。
在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，功率放大器(PA)占據(jù)傳輸鏈的后一級(jí)，為天線(xiàn)提供所需的射頻功率，如圖1 所示。PA 是5G發(fā)射機(jī)的傳輸質(zhì)量和電池壽命的關(guān)鍵決定因素。
圖1 典型通信射頻傳輸鏈路
為了滿(mǎn)足 5G 系統(tǒng)要求，開(kāi)發(fā)人員需要準(zhǔn)確且可重復(fù)的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證發(fā)射機(jī)部件的性能。5G系統(tǒng)所需的大帶寬和復(fù)雜的調(diào)制方式，對(duì)元器件的EVM性能提出了更高的要求。開(kāi)發(fā)人員面臨縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期和提高測(cè)試效率的雙重挑戰(zhàn)。
圖2 傳統(tǒng)功放測(cè)試：VNA用于網(wǎng)絡(luò)分析，VSA用于ACPR、NPR、EVM等測(cè)試
通常，研發(fā)人員使用矢量信號(hào)分析儀（VSA）和矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG)在時(shí)域進(jìn)行非線(xiàn)性PA測(cè)量。然后，再利用VNA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，我們將此過(guò)程稱(chēng)為 VSA 方法。
采用頻域表征方法，即矢量網(wǎng)絡(luò) (VNA) 方法，只需要VSG和ENA-X VNA以及調(diào)制失真（MOD）軟件，而不需要信號(hào)分析儀。VNA 方法改進(jìn)了性能指標(biāo)的評(píng)估方法和準(zhǔn)確性，并通過(guò)簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)置將測(cè)試周期時(shí)間縮短了 50%。
二、非線(xiàn)性功率放大器性能表征的重要性
（1）PA 性能表征有助于：
1、研發(fā)人員驗(yàn)證 PA 是否滿(mǎn)足系統(tǒng)性能規(guī)范
2、客戶(hù)確定 PA 是否滿(mǎn)足其5G通信系統(tǒng)要求
3、評(píng)估PA性能及其市場(chǎng)價(jià)值
（2）為什么要表征功率放大器的非線(xiàn)性
有很多參數(shù)用于放大器指標(biāo)表征，EVM和ACPR（鄰道功率比）對(duì)于PA性能驗(yàn)證來(lái)說(shuō)是為關(guān)鍵的。非線(xiàn)性響應(yīng)直接影響信號(hào)解調(diào)和誤碼率 (BER)，而且非線(xiàn)性導(dǎo)致頻譜再生，在特定的信道之外的頻段中產(chǎn)生干擾。EVM和ACPR指標(biāo)可以量化 PA 非線(xiàn)性性能。
對(duì)于用寬帶輸入信號(hào)激勵(lì)的PA，非線(xiàn)性會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)和帶外失真產(chǎn)物。雖然工程師通過(guò)濾波消除線(xiàn)性失真，而非線(xiàn)性效應(yīng)則難以解決。開(kāi)發(fā)人員必須量化 PA 的非線(xiàn)性，以確保設(shè)備滿(mǎn)足效率規(guī)范并遵循嚴(yán)格的5G EVM和ACPR標(biāo)準(zhǔn)。本質(zhì)上，強(qiáng)線(xiàn)性度表明 PA 將放大輸入信號(hào)而不會(huì)增加失真。
圖3 MOD失真應(yīng)用中測(cè)量的輸入/輸出頻譜
（3）什么是 EVM，為什么它很重要？
EVM 是用于評(píng)估通信系統(tǒng)帶內(nèi)失真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。誤差矢量是特定時(shí)間理想?yún)⒖夹盘?hào)與測(cè)量信號(hào)之間的矢量差。非理想條件下會(huì)使接收和發(fā)送的信號(hào)失真，因此量化調(diào)制信號(hào)質(zhì)量需要 EVM 測(cè)量。802.11ac和5G NR等標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)置了可接受的低 EVM指標(biāo)。
（4）什么是 ACPR，為什么它很重要？
ACPR、相鄰信道功率水平和鄰道泄漏比 (ACLR)指的是同一概念，即信道上的發(fā)射功率與相鄰信道接收濾波后接收到的功率之比。該指標(biāo)衡量一個(gè)信道對(duì)另一信道的可能干擾程度。ACPR 是用于量化帶外失真特性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。ACPR 測(cè)量對(duì)于UMTS和LTE標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。
隨著系統(tǒng)復(fù)雜性迅速增加，5G傳輸系統(tǒng)需要精準(zhǔn)的測(cè)量來(lái)確保其性能符合更嚴(yán)格的要求。例如，256QAM要求EVM達(dá)到3.5%，而1024QAM 的EVM則需達(dá)到 1%。
三、時(shí)域與頻域表征測(cè)量
時(shí)域和頻域是兩種表征方法。雖然傳統(tǒng)時(shí)域表征方法可以滿(mǎn)足之前的需求，但 5G NR 技術(shù)則需要更為精簡(jiǎn)且準(zhǔn)確的表征方法。
（1）時(shí)域表征
時(shí)域測(cè)量是指針對(duì)時(shí)間進(jìn)行的測(cè)量。示波器是時(shí)域測(cè)試設(shè)備的一個(gè)典型示例，它測(cè)量元器件的電壓和電流（y軸）作為時(shí)間（x 軸）的函數(shù)。傳統(tǒng)上，PA 非線(xiàn)性特性需要使用 VSA 和 VSG 在時(shí)域中進(jìn)行測(cè)量。VSG 向被測(cè)設(shè)備 (DUT) 提供輸入信號(hào)，而 VSA 捕獲輸出信號(hào)并計(jì)算EVM 和 ACPR等指標(biāo)。
這種時(shí)域表征方法滿(mǎn)足了過(guò)去的通信要求，而5G FR2系統(tǒng)則要求開(kāi)發(fā)人員使用毫米波(mmWave)頻譜中極寬的信號(hào)帶寬來(lái)測(cè)量其性能指標(biāo)。由于多種因素，新一代技術(shù)使得VSA法進(jìn)行PA性能表征（尤其是 EVM）變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。
圖4 5G NR 帶來(lái)的新技術(shù)挑戰(zhàn)
1、系統(tǒng)EVM與DUT EVM的差異
信號(hào)源完整性直接影響 EVM 結(jié)果。在 VSA 方法中，測(cè)試系統(tǒng)的 EVM（或殘余 EVM）與 DUT EVM 無(wú)法區(qū)分。VSA 假定測(cè)量到的任何誤差均歸因于待測(cè) PA。這不僅不準(zhǔn)確，而且隨著 EVM 要求變得越來(lái)越嚴(yán)格，它很難準(zhǔn)確評(píng)估PA是否符合 5G 標(biāo)準(zhǔn)。
此外，隨著信號(hào)帶寬越來(lái)越寬，系統(tǒng)的信噪比 (SNR) 會(huì)下降。噪聲限制了測(cè)量中可分辨的小 EVM。低功率水平下的隨機(jī)噪聲也會(huì)導(dǎo)致 EVM 測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性降低。輸入信號(hào)的非理想性和接收機(jī)處的寬帶噪聲限制了 VSA 可測(cè)得的小 EVM。
2、校準(zhǔn)挑戰(zhàn)
VSA 方法的校準(zhǔn)所面臨的問(wèn)題包括復(fù)雜性、魯棒性、信號(hào)保真度和可重復(fù)性。盡管存在多種校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的方法，但即使是先進(jìn)的技術(shù)也可能會(huì)出現(xiàn)誤差，尤其是當(dāng)測(cè)試信號(hào)具有較寬的帶寬且 DUT 失配較大時(shí)。
使用不會(huì)產(chǎn)生任何非線(xiàn)性失真的信號(hào)分析儀對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，可以減小EVM 測(cè)量誤差。然而，該解決方案在大帶寬上面臨巨大的實(shí)施挑戰(zhàn)。該解決方案還需要對(duì) VSA 有深入的了解，并且會(huì)大大影響整個(gè)測(cè)量速度。這些校準(zhǔn)方法過(guò)程復(fù)雜且受到隨機(jī)誤差的影響。信號(hào)保真度給 VSA 方法帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檩^高頻率下的電纜損耗和不匹配，導(dǎo)致施加到 DUT 的實(shí)際信號(hào)與理想信號(hào)存在偏差。
3、所需設(shè)備
如前所述，傳統(tǒng)的時(shí)域表征測(cè)量系統(tǒng)需要三個(gè)主要設(shè)備：VSG、VSA 和 VNA。此外，時(shí)域表征需要每個(gè)儀器都有布線(xiàn)和校準(zhǔn)設(shè)備。在 VSA 和 VNA 之間交替進(jìn)行 DUT 參數(shù)測(cè)試在硬件、軟件和外圍設(shè)備方面的成本更高。由于重新校準(zhǔn)和連續(xù)切換系統(tǒng)設(shè)置，還增加了設(shè)備測(cè)試時(shí)間。通過(guò)在 E5081A ENA-X VNA 解決方案上使用高達(dá) 44 GHz 的頻域表征，避免了浪費(fèi)寶貴的時(shí)間進(jìn)行手動(dòng)重新配置系統(tǒng)或切換復(fù)雜的基于開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)。
（2）頻域表征
頻域測(cè)量是指針對(duì)頻率進(jìn)行的測(cè)量。VNA 是頻域測(cè)試設(shè)備的范例，用于測(cè)量作為特定頻率（x 軸）函數(shù)的信號(hào)功率（y 軸）。VNA 是元器件測(cè)試和電氣網(wǎng)絡(luò)分析的儀器。典型的 VNA元器件測(cè)試包括 S 參數(shù)、增益壓縮和互調(diào)等。
然而，借助調(diào)制失真 (MOD) 軟件，ENA-X 超越了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以直接表征 PA 失真參數(shù)。ENA-X 內(nèi)置一個(gè)集成上變頻器以提高靈活性，僅需一臺(tái)低頻矢量信號(hào)發(fā)生器 (VSG)即可進(jìn)行復(fù)雜的寬帶調(diào)制測(cè)量。例如，生成 44 GHz 調(diào)制激勵(lì)僅需要使用Keysight N5186A MXG 射頻矢量信號(hào)發(fā)生器，如圖5所示。
圖5 VNA法：利用MXG和ENA-X的上變頻器路徑
ENA-X 通過(guò)全集成、單次連接/多種測(cè)量的方式來(lái)表征EVM和ACPR指標(biāo)，從而降低頻域測(cè)試的復(fù)雜性。ENA-X 提供了硬件路徑中的切換，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)在VNA測(cè)試端口和參考接收機(jī)之間連接。通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)分析和失真表征功能整合到一套測(cè)試系統(tǒng)中，ENA-X 使開(kāi)發(fā)人員能夠完成 S 參數(shù)、EVM 和 ACPR 測(cè)試，而無(wú)需重新連接DUT，從而大限度地縮短測(cè)試時(shí)間。此外，使用 MOD 軟件進(jìn)行頻域表征可實(shí)現(xiàn)更低的殘余 EVM，并實(shí)現(xiàn)全矢量校正以提高精度。
1、什么是調(diào)制失真分析，它改進(jìn)了什么
隨著 5G 開(kāi)發(fā)的不斷進(jìn)展，PA 需要進(jìn)行調(diào)制信號(hào)激勵(lì)的放大。與簡(jiǎn)單的信號(hào)激勵(lì)一樣，PA 調(diào)制信號(hào)性能在接近放大器飽和點(diǎn)的功率水平下實(shí)現(xiàn)高效率。然而，無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)限制了特定 RF 組件在一定頻率范圍內(nèi)允許的大雜散發(fā)射。開(kāi)發(fā)人員必須在這些復(fù)雜的調(diào)制方案下表征放大器，以驗(yàn)證其在這些限制內(nèi)的性能。
調(diào)制失真軟件利用矢量校準(zhǔn)的ENA-X重新構(gòu)建放大器失真測(cè)量，以獲得準(zhǔn)確且可重復(fù)的 EVM 結(jié)果，如圖6所示。MXG 的寬帶輸入信號(hào)利用頻譜相關(guān)技術(shù)為DUT提供激勵(lì)，MOD應(yīng)用軟件在頻域逐點(diǎn)進(jìn)行輸入、輸出信號(hào)的測(cè)量。然后，ENA-X 將頻率拼接在一起以實(shí)現(xiàn)寬帶相干測(cè)量。測(cè)量的輸出信號(hào)分解為線(xiàn)性和非線(xiàn)性相關(guān)分量。此時(shí)，MOD 失真應(yīng)用軟件在頻域進(jìn)行 EVM 和 ACPR計(jì)算。
圖6 VNA 上的 EVM 和 ACPR 測(cè)量
ENA-X 使用先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)消除測(cè)量中測(cè)試設(shè)置的各種影響（輸入端口不匹配、通道功率和源誤差影響）。更寬的動(dòng)態(tài)范圍和源功率校準(zhǔn)還可以提供更準(zhǔn)確和可重復(fù)的 EVM 測(cè)量。
2、簡(jiǎn)單的設(shè)置和單一連接
用于測(cè)量 S 參數(shù)、增益壓縮和噪聲系數(shù)的相同設(shè)置，也可以實(shí)現(xiàn) EVM 和 ACPR測(cè)量?？梢酝ㄟ^(guò)一次設(shè)置、一次連接和一次“cal-all"校準(zhǔn)來(lái)獲取線(xiàn)性和非線(xiàn)性性能參數(shù)。
3、佳的測(cè)量精度和重復(fù)性
當(dāng)使用 ENA-X 測(cè)量非線(xiàn)性 DUT性能時(shí)，夾具去嵌入等校準(zhǔn)方法可以將校準(zhǔn)端面移動(dòng)到 DUT 端面。輸入端口失配和通道功率也是可校正的——就像 IQ 數(shù)據(jù)一樣——在參考平面上產(chǎn)生平坦的輸入信號(hào)，并抑制信號(hào)ACPR。鑒于這種測(cè)量的相干性，每條跡線(xiàn)都相同，從而使 ENA-X 校準(zhǔn)技術(shù)能夠快速提供測(cè)量重復(fù)性和輸入信號(hào)保真度。
4、低的殘余EVM
更寬的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍或更低的本底噪聲使MOD應(yīng)用軟件可以將DUT造成的失真分離出來(lái)。這意味著頻域 PA 表征可將系統(tǒng)失真和噪聲與 DUT 的 EVM 區(qū)分開(kāi)來(lái)，從而凈化 PA 表征并揭示 PA 的真實(shí)性能。
四、ENA-X VNA 增強(qiáng)高功率放大器測(cè)試的主要優(yōu)勢(shì)
雖然低功率條件足以獲取線(xiàn)性 S 參數(shù)，而增益壓縮和失真測(cè)試則需要高功率輸入信號(hào)。此外，大多數(shù) PA 設(shè)計(jì)將在接近飽和的情況下運(yùn)行，以?xún)?yōu)化功率附加效率(PAE)，同時(shí)保持整體系統(tǒng)級(jí)性能目標(biāo)。在低功率水平下，SNR或噪聲系數(shù)影響EVM大，在高功率水平下，非線(xiàn)性失真在EVM中占主導(dǎo)地位。
為了完成非線(xiàn)性 PA 表征，需要一個(gè)用于高功率測(cè)試裝置的升壓放大器。但在設(shè)置和校準(zhǔn)中增加部件會(huì)增加測(cè)量的復(fù)雜性和潛在的誤差。ENA-X 的設(shè)計(jì)考慮了這些高功率因素的影響。
值得注意的是，E5081A 網(wǎng)絡(luò)分析儀為高功率PA 測(cè)試提供接收機(jī)直接接入和接收機(jī)衰減器。
（1）接收機(jī)直接接入
升壓放大器的超高反向隔離 S21，使得利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置進(jìn)行精準(zhǔn)的PA S11 測(cè)量具有挑戰(zhàn)性。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)可配置的測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)提供內(nèi)部接收機(jī)直接接入作為解決方法，如圖7所示。
可配置的架構(gòu)使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)A S11信號(hào)重新路由，通過(guò)升壓放大器直接到達(dá) ENA-X 接收機(jī)。這種靈活性可以在高功率信號(hào)條件下進(jìn)行精準(zhǔn)的放大器S11測(cè)量。
圖7 使用2端口E5081A ENA-X進(jìn)行高功率PA測(cè)量的典型配置
（2）接收衰減器
測(cè)試儀器的內(nèi)部組件功率處理能力是高功率測(cè)量的關(guān)鍵考慮因素。高功率水平可能會(huì)損壞網(wǎng)絡(luò)分析儀，從而導(dǎo)致昂貴的維修費(fèi)用。通常，高功率放大器測(cè)試需要外部衰減器以防止?jié)撛诘慕邮諜C(jī)壓縮所導(dǎo)致的測(cè)量不準(zhǔn)確或測(cè)試裝置損壞。然而，添加外部裝置會(huì)增加測(cè)試系統(tǒng)潛在的誤差和校準(zhǔn)復(fù)雜性。為了大限度地降低儀器損壞和測(cè)量誤差的風(fēng)險(xiǎn)，ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了內(nèi)置接收衰減器，從而無(wú)需外部衰減器。
五、結(jié)論
由于寬帶信號(hào)、復(fù)雜的調(diào)制方案以及日益嚴(yán)格的 EVM 和 ACPR 要求，設(shè)計(jì)5G 系統(tǒng)功率放大器面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的 VSA 表征方法不再滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工程師的需求。E5081A ENA-X 調(diào)制失真解決方案提供了多項(xiàng) PA 表征優(yōu)勢(shì)，可克服寬帶測(cè)量挑戰(zhàn)：
1、寬動(dòng)態(tài)范圍，由于本底噪聲較低，因此可實(shí)現(xiàn)低殘余 EVM
2、輕松校準(zhǔn)矢量校正測(cè)量，增強(qiáng)PA 輸入端的信號(hào)保真度，從而顯著提高測(cè)量可重復(fù)性
3、先進(jìn)的軟件允許在調(diào)制條件下進(jìn)行失真分析
針對(duì)任何PA性能表征，VNA 對(duì)于表征線(xiàn)性和非線(xiàn)性性能至關(guān)重要。通過(guò) MOD 應(yīng)用軟件，測(cè)試系統(tǒng)可進(jìn)行傳統(tǒng)的 VNA 測(cè)量、EVM 和 ACPR測(cè)量。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀的架構(gòu)使 RF 開(kāi)發(fā)人員能夠在單個(gè)簡(jiǎn)化設(shè)置上執(zhí)行多種多端口測(cè)量，從而提高測(cè)量精度和可重復(fù)性、縮短測(cè)試周期時(shí)間并獲得低的殘留 EVM 結(jié)果。
