数字调制系统中进行的高精确度非线性测量

　　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。