在数字调制系统中进行精确的非线性测量

随着日益增加的智能手机和无线互联网3G覆盖范围以及4G系统即将引入带来的持续压力，数字通信射频组件的设计活动越来越丰富。设计活动的前沿在于功率放大器(PA)的开发。PA设计工程师面对的首要问题是功率所增加的效率(PAE)。高PAE意味着：

• 移动设备的电池寿命增加
• 基站天线覆盖面最大化，网络提供商的电费降低
• 能够以更高的价格出售性能更高的器件，最终实现每晶圆片更高的收益回报

数字调制方案（如PSK、QAM以及OFDM）可实现高峰均比(PAR)的调制射频载波。PA设计工程师必须考虑放大具有高PAR的通信信号的后果，同时保持线性和可接受的误差矢量幅值(EVM)率。线性矢量网络分析仪(VNA)提供关于线性条件下工作的功率放大器性能的基本信息。然而，当PA设计用于高功率级的压缩非线性工作时，VNA必须提供额外数据。

VNA能够测量主动和被动器件及系统的S参数。测量主动器件时，测量在线性增益小型信号器件上进行。测量小型信号放大器时，Anritsu（安立）的线性VectorStar VNA可提供内置功能，全面分析主动器件。表1概列了VectorStar MS4640A系列的性能。

非线性VNA的一个重要功能在于不仅可测量谐波含量，还可测量基频信号，提供性能数据，从而有助于实现最佳的非线性PA设计。此外，非线性分析的一个关键要素是负载牵引测量，尤其是谐波负载牵引的测量。负载牵引分析对于适当提升主动器件的性能十分必要。为优化非线性器件性能，提供给器件的匹配必须在基频和谐波频率方面均加以优化。

表1 VectorStar MS4640A系列性能

Anritsu/HFE 非线性 VectorStar VNA

VectorStar非线性系统提供可选被动或主动调谐器。主动调谐器的重要优势在于，能够对被测器件(DUT)提供全范围负载，确保最佳性能。这对于非线性器件尤为重要，因为很多级别的非线性运行要求谐波反射伽玛为 1，以实现最佳性能（图1）。

图 1 非线性VectorStar工作示意图

为什么选择非线性器件？

非线性功率放大器的设计从晶片级开始。片上器件最终嵌入一个50Ω系统。片上主动器件的输入阻抗并非50Ω，而大多数高功率器件的输出阻抗通常在1 到2Ω之间。为将片上器件的输入和输出转换至50Ω系统，需要一个匹配网络。由于器件谐波含量大，匹配网络必须包括基频和谐波频率组件的最佳匹配。提供关于相对于源和负载阻抗的器件性能的信息是非线性VNA测量系统的主要目标。因此，负载牵引流程是非线性测量系统的核心。

典型的负载牵引系统将耦合器定位于调谐器外部，监控器件随调谐器阻抗变化的功率输出。此方法要求预先校准调谐器。典型负载牵引设置的测量精度取决于校准后调谐器、电缆和接头的可重复性。这种传统配置内的调谐器由供应商提供的校准和控制软件进行控制，存在调谐器软件与非线性 VNA软件之间关系复杂的问题。由于很多器件需要进行大面积史密斯图表调谐，校准往往需要数小时。

通过在DUT和调谐器之间插入一个超低损耗耦合器，Anritsu/HFE 系统重新定义负载牵引测量。由于VectorStar系统将耦合器定位于DUT旁，因此可实现DUT源和负载阻抗的高精度测量。此外，还提供了同时实时监控阻抗和DUT性能的方法，实现回应即时显示和实时调谐。该方法也避免了需要预先校准的麻烦。

图2 相对谐波负载阻抗的PAE性能典型标绘

谐波负载牵引的需要

图2是相对于谐波负载阻抗的PAE性能的典型标绘。可看到，随着第二谐波在一个特定相角终止，PAE得以优化。而且，最佳PAE和最小PAE彼此十分相近。这也是谐波负载牵引对于优化设计至为关键的另一原因。它不仅可确定最佳PAE、增益和最大功率的位置，还可识别应避免的区域。此情况下，若设计限制导致匹配网络变化达50˚，则应谨慎设计，使网络充分远离Imax 点，以确保可接受的性能。

实现高精度的高伽玛

非线性运行的设计要求之一是需要将谐波完全反射回器件，以便减少输出谐波含量，提高PAE性能。这意味着，在进行负载牵引流程的分析时，谐波必须在器件输出实现完全反射。当负载牵引调谐器提供最大反射时，在调谐器与器件之间的任何插入损失都会导致器件的伽玛降低。此等测量皆为使用探测台和探头尖的在片测量。由于长射频线和高损失探头尖，这些系统的插入损失相当大，远不能达到器件的理想伽玛要求。

Anritsu/HFE 主动调谐器为非线性器件提供最佳伽玛

Anritsu/HFE非线性系统可使用被动或主动调谐器安装。配置Anritsu/HFE主动回路调谐器后，可在DUT端口实现高达1的伽玛。图 3为主动回路调谐器配置的一个实例。请注意，被动和主动调谐器可组合应用，在预算允许时，可分阶段从被动调谐器升级至主动调谐器。

图3 主动回路调谐器配置实例

负载牵引分析和模型模拟

负载牵引分析提供实际条件下工作器件的测量数据。假定器件代表同一晶片（以及后续晶片）上所有器件的典型性能，则该测量数据可用于为器件产品设计最佳网络。另外，该数据可导出到EDA程序，用于创建、运行或改善模型。

OpenWave开放标准数据格式

由于非线性测量可得到大量数据，因此，数据应适当格式化，使其便于存储、打开和查看，以灵活的方式组织，易于共享。创建非线性开放标准数据格式正是为实现这些目标。OpenWave 论坛(OWF)是由射频和微波公司组成的协会，旨在为大型信号非线性模拟、测量和建模合作开发、创建和推广统一透明的数据交换格式。作为该论坛创始成员之一的Anritsu和HFE将参与确定该开放标准，并将其要求整合进MMSNT_LP软件。

MMSNT_LP软件架构设计为多文件多视图应用软件。每个文件代表一个特定的测量任务。得益于前述设计，该软件能够在一个屏幕上同时显示功率扫描曲线、时间域波形、负载牵引等高线图、眼状图以及I/V参数。每个文件都可控制主应用程序菜单和工具条的呈现，从而实现友好的用户界面。各个测量由相应窗口触发和更新。

校准选择

非线性系统的校准由MMSNT_LP软件控制。使用的校准技术基于计算机对拓朴条件的分析，能够产生优化的标准序列，引导用户完成校准程序。广泛的校准选件能够为给定的接头情况提供最佳的精度选择。

微差测量

主动回路模块的另一个优势在于能够为差微器件的负载牵引测量升级系统。由于能够主动监控器件的实时阻抗，因此也可主动独立地将器件输入调谐至特定位置。对于差微器件，这意味着可主动控制差分输入，并调谐处于不同源和负载条件下的器件。图4为典型微差设置的方块图。

图4 典型微差设置方块图

总结

Anritsu/HFE VectorStar 非线性测量系统能够为非线性器件提供灵活、强大而经济的负载牵引分析。该系统能够实现轻松的非线性测量，同时提供独特的负载牵引测量能力。可分阶段实施升级，实现一个包括提供真正平衡微差测量的多谐波主动回路非线性负载牵引测量系统。

作者: Steve Reyes，安立公司