隨著無線設(shè)備復(fù)雜性急劇增加，手機(jī)支持的頻段數(shù)量也在不斷增加。從最開始的2個(gè)GSM頻段，到現(xiàn)在的4個(gè)GSM頻段，3個(gè)CDMA頻段，5個(gè)UMTS頻段和10個(gè)LTE頻段。未來，諸如5G New Radio等標(biāo)準(zhǔn)將繼續(xù)增加無線設(shè)備的復(fù)雜性。今天，我們將為各位介紹6個(gè)使用NI PXIe、STS、VTS等NI的軟硬件系統(tǒng)完成的測試方案。
對(duì)于很多射頻無源器件來說，插入損耗是其中一個(gè)關(guān)鍵的測試項(xiàng)目。在一個(gè)系統(tǒng)之中，由于某個(gè)器件的插入而發(fā)生的功率的損耗便是插入損耗，通常插入損耗由dB來表示。
一般來說，對(duì)于射頻器件來說，如果在器件插入之前傳輸給負(fù)載的功率是 ，插入之后負(fù)載接收到的功率是，則以dB為單位的插入損耗由下式給出公式：
作為射頻開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，每個(gè)開關(guān)都會(huì)存在一些寄生電容、寄生電感、寄生電阻等。在開關(guān)做信號(hào)路由的時(shí)候，這些寄生元件會(huì)直接將信號(hào)進(jìn)行衰減和降低。而這些寄生元件隨著輸入信號(hào)頻率的變化引起功率損耗，因此對(duì)于射頻開關(guān)來說在不同頻率下進(jìn)行插入損耗測試是必要的一步。
對(duì)于射頻開關(guān)進(jìn)行插入損耗測試的時(shí)候，可以使用NI VST矢量信號(hào)收發(fā)儀進(jìn)行測試。NI VST矢量信號(hào)收發(fā)儀將矢量信號(hào)發(fā)生器VSG和矢量信號(hào)接收器VSA兩種儀器功能集合在儀器。
并且VST的作用不僅僅在插入損耗測試上面，對(duì)于開關(guān)芯片及其他類型射頻前端芯片多種測試項(xiàng)也能良好地覆蓋，而不需要采用其他儀器即可完成，因此極大提升了測試項(xiàng)目的覆蓋率。
在對(duì)某通道（如RF1）進(jìn)行插入損耗測試的時(shí)候，如圖 3 ，在芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后將RF1導(dǎo)通，已知由VST輸出功率，即芯片在Ant端口的輸入功率，測得RF1通道輸出的功率,因此即可以得出插入損耗功率值即：
圖3：使用VST進(jìn)行插入損耗測試
在進(jìn)行插損測試的時(shí)候?qū)τ诰€纜和其他元件（如在量產(chǎn)測試中加入的輔助開關(guān)）上的損耗需要進(jìn)行校準(zhǔn)，可以使用功率計(jì)來進(jìn)行校準(zhǔn)。我們可以將功率計(jì)連接至線纜與元件一端，通過VST的信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)，在各種頻率下測得信號(hào)發(fā)生器以及線纜和其他元件的總損耗。
假設(shè)使用功率計(jì)進(jìn)行的測量結(jié)果正確無誤，就可以確定信號(hào)分析儀裝置的測量偏移，即可對(duì)進(jìn)行插損測試中使用的儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。NI同樣提供高精度的功率計(jì)，如需了解更多請(qǐng)?jiān)L問ni.com。
對(duì)于很多無源器件來說，使用VNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是進(jìn)行插入損耗的良好選擇。PXI矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有兩個(gè)端口，因此您可以選擇T/R測試集或全S參數(shù)功能。PXI矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀支持自動(dòng)精密校準(zhǔn)、完整矢量分析和參考平面擴(kuò)展，而且不像傳統(tǒng)臺(tái)式VNA那樣具有高成本和大尺寸。
針對(duì)于插入損耗測試，即S21參數(shù)，可直接利用VNA實(shí)現(xiàn)S21的測量。需要注意的是在使用VNA的時(shí)候?yàn)榱司_測量S參數(shù)，應(yīng)考慮到外部所有的線纜及路徑中所有的連接件，無論是使用短路-開路-負(fù)載-直通（SOLT）方法，還是使用VNA自帶的校準(zhǔn)套件，VNA需要進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。有關(guān)VNA校準(zhǔn)的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問ni.com。
圖4：使用VNA進(jìn)行插入損耗測試
NI半導(dǎo)體測試系統(tǒng)（STS）是一款全自動(dòng)化生產(chǎn)測試系統(tǒng)，采用全新的方法來測量生產(chǎn)測試中的S參數(shù)。該系統(tǒng)結(jié)合了端口模塊（port Module）與NI矢量信號(hào)收發(fā)器（VST）。除了開關(guān)和預(yù)選功能之外，端口模塊包含的定向耦合器可以有效地將VST轉(zhuǎn)換成VNA。
因此，可以在生產(chǎn)測試環(huán)境下快速測量S參數(shù)，而不需要使用其他儀器。S參數(shù)測量使用多端口校準(zhǔn)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，該模塊可以自動(dòng)校準(zhǔn)多達(dá)48個(gè)RF端口。有關(guān)NI STS的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問ni.com/semiconductor-test-system。
隔離度是指的在待測端口檢測到無用信號(hào)的衰減度。一個(gè)高隔離度的開關(guān)能夠大幅度減少其他通道對(duì)其的影響，這樣保證了信號(hào)的完整性。
對(duì)于隔離度的測試，與插入損耗測試方法相近，因此同樣可以使用NI VST矢量信號(hào)收發(fā)儀。但是在測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)上會(huì)再加入輔助開關(guān)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)路由，如圖Figure 2所示[1]。
按照隔離度的定義，如針對(duì)RF1與RF2通道之間的隔離度，可將芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后將RF1導(dǎo)通，即可測得芯片在Ant端口的輸入功率，同時(shí)可以測得在RF2處的輸出功率，因此即可計(jì)算處隔離度為：
使用VST及輔助開關(guān)進(jìn)行隔離度測試
同樣在針對(duì)于隔離度的測試上，線纜和輔助開關(guān)可以使用功率計(jì)來進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，并以此來設(shè)置儀器的偏移。
在之前提到的插入損耗和隔離度的量產(chǎn)測試中，射頻開關(guān)芯片的多個(gè)通道之間測試進(jìn)行切換而需要最大化復(fù)用儀器，因此我們使用輔助開關(guān)模塊對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
NI射頻開關(guān)模塊
PXI射頻多路開關(guān)模塊是對(duì)于需要將儀器連接到DUT上進(jìn)行高通道數(shù)自動(dòng)化測試的理想選擇，開關(guān)帶寬最高達(dá)40GHz。PXI射頻多路復(fù)用開關(guān)模塊使用多種繼電器類型，包括機(jī)電式電樞式、干簧管式、FET式和固態(tài)開關(guān)式，每一種繼電器都有各自的優(yōu)點(diǎn)，允許您選擇符合您要求的多路復(fù)用器。
此外，NI開關(guān)模塊提供了高級(jí)特性，如硬件觸發(fā)、板載繼電器使用計(jì)數(shù)跟蹤，并可根據(jù)需求進(jìn)行開關(guān)拓?fù)涞男薷摹?/span>
VSWR是反射波到入射波的比值，在射頻開關(guān)芯片一些實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測試中會(huì)進(jìn)行這個(gè)項(xiàng)目的測試。在高頻情況下，對(duì)于一個(gè)理想系統(tǒng)，傳輸能量為100%；當(dāng)信號(hào)在不同的介質(zhì)（如一些阻抗不匹配的元件）上傳輸時(shí)，如果能量未被全部吸收，反射就會(huì)發(fā)生。
在射頻開關(guān)芯片中，這種不匹配可能是由于連接器上的阻抗不匹配等。VSWR是反射波功率的一種測量方法，它也可以用來測量傳輸線上的功率損耗。反射波與輸入信號(hào)疊加形成駐波，反射引起相消干擾，沿著傳輸線在不同時(shí)間、距離產(chǎn)生電壓波峰、波谷，因此VSWR被定義為最高電壓與最低電壓之比。
其中是輸入端口的反射系數(shù)，即S11參數(shù)，可使用VNA或者前文提到的STS端口模塊直接快速測量。
什么是開關(guān)時(shí)間？
開關(guān)時(shí)間(Switch Time)或切換時(shí)間指的是開關(guān)從“導(dǎo)通”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖刂埂睜顟B(tài)或者從“截止”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)通”狀態(tài)所需要的時(shí)間。具體來講是指從DUT接收到通道切換命令，到在被切換到的通道上信號(hào)的功率達(dá)到滿幅度值的90%的時(shí)間。
圖7: 開關(guān)時(shí)間測試
針對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的測試，根據(jù)通常會(huì)考慮使用高帶寬高速示波器來進(jìn)行測試。測試方法是在兩個(gè)通道同時(shí)獲取DUT控制信號(hào)和射頻信號(hào)，并測量DUT控制信號(hào)的跳變沿和射頻信號(hào)到達(dá)相應(yīng)功率值時(shí)刻的時(shí)間差。
對(duì)于示波器而言，最關(guān)心的一個(gè)指標(biāo)就是帶寬。帶寬描述了從探針或測試夾具前端到ADC，輸入信號(hào)幅值損失最小時(shí)，可以通過模擬前端的頻率范圍。帶寬被定義為一個(gè)正弦波輸入，通過示波器后測得其原始幅值70.7%的頻率，也稱為-3dB點(diǎn)。在大多數(shù)情況下，我們建議示波器的帶寬是被測信號(hào)中最高頻率分量的2到5倍，將捕獲的信號(hào)幅度誤差影響降低到最小 (帶寬要求=(2~5)*頻率)。
對(duì)于射頻開關(guān)的實(shí)驗(yàn)室開關(guān)時(shí)間驗(yàn)證測試，需要進(jìn)行DUT控制信號(hào)與射頻開關(guān)輸出信號(hào)達(dá)到對(duì)應(yīng)功率值時(shí)刻的時(shí)間差，因此對(duì)于兩者而言，上升時(shí)間測量是其中的關(guān)鍵。
圖8顯示了一個(gè)500MHz范圍測量高斯模型的階躍響應(yīng)。當(dāng)階躍相應(yīng)的最高頻率是4倍于儀器帶寬時(shí)（紅色曲線），我們看到的基本上僅是示波器的階躍響應(yīng)而不是輸入信號(hào)的階躍響應(yīng)。因此在進(jìn)行上升時(shí)間測量中有相當(dāng)大的誤差(416%)。被測信號(hào)與示波器(黃色曲線)具有相同帶寬時(shí)，仍然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差（40%）。我們可以看到，在被測信號(hào)頻率是示波器帶寬的1/3(綠色曲線)時(shí)，上升時(shí)間測試結(jié)果將相對(duì)準(zhǔn)確（僅4.4%）。所以一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)方法是選擇一個(gè)至少是最高頻率3倍的模擬帶寬的示波器。
圖8：500MHz帶寬示波器對(duì)于不同階躍響應(yīng)的曲線
NI提供從400MHz到高達(dá)5GHz帶寬、分辨率從8位到14位的多種示波器選擇，滿足不同應(yīng)用下的測試任務(wù)。配合功能強(qiáng)大的交互式面板，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性測試進(jìn)行界面友好的調(diào)試，并同時(shí)搭配多種語言支持的API，如LabVIEW，C，Python等，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化測試開發(fā)。
在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測試中使用高帶寬示波器可進(jìn)行快速的波形查看及上升時(shí)間計(jì)算，但是這個(gè)方法在量產(chǎn)測試中即使能夠滿足測試需求，但是面對(duì)量產(chǎn)中成本和測試時(shí)間上的要求，價(jià)格不菲的高帶寬的示波器在系統(tǒng)成本上是一個(gè)巨大的開銷；同時(shí)DUT的射頻輸出在系統(tǒng)連接線設(shè)計(jì)上，除了要接入射頻儀器外，還需要額外將輸出接入到示波器上，這樣將增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，在量產(chǎn)測試中，我們會(huì)考慮其他設(shè)計(jì)方法。
NI為PXI和PXI Express機(jī)箱提供了定時(shí)和同步解決方案。 最新的PXI Express對(duì)PXI平臺(tái)進(jìn)行了改革，在保留向后兼容的同時(shí)，針對(duì)測量I/O設(shè)備，提供了比PXI-1更強(qiáng)大的同步功能。 具體體現(xiàn)在：
PXI Express保留了原始的PXI規(guī)范中的10 MHz背板時(shí)鐘，以及單端PXI觸發(fā)總線和長度匹配的PXI星形觸發(fā)信號(hào)。
PXI Express還在背板上增加了100 MHz差分時(shí)鐘和差分星形觸發(fā)，提供增強(qiáng)的抗噪音能力和業(yè)界領(lǐng)先的同步精度（分別為250 ps和500 ps的模塊間延遲差）。 NI定時(shí)和同步模塊充分利用PXI和PXI Express機(jī)箱中的高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)技術(shù)優(yōu)勢。
圖 9：基于PXI的定時(shí)同步機(jī)制
在量產(chǎn)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，我們也充分利用了PXI平臺(tái)觸發(fā)總線的高準(zhǔn)確度、低延時(shí)特性。如圖10所示，基于向量的數(shù)字儀器PXIe-6570在給出控制命令的同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)事件觸發(fā)脈沖，這個(gè)脈沖通過PXI總線傳送到VST，觸發(fā)VST開始采集射頻信號(hào)。在系統(tǒng)中逐個(gè)檢查射頻信號(hào)采樣值的幅度，比較可得到第一個(gè)幅度滿足要求的采樣點(diǎn)，并且由于射頻信號(hào)采集的開始時(shí)刻就是開關(guān)切換的時(shí)刻，與滿足要求采樣點(diǎn)時(shí)間差乘以采樣周期就可以得到切換時(shí)間 。
通過這樣的方式將極大提升儀器的復(fù)用率，而不需要額外示波器進(jìn)行測試，降低了測試成本，并且也減少了儀器間切換的時(shí)間，提升測試效率。
圖10：基于向量的數(shù)字儀器及VST的開關(guān)時(shí)間測試
諧波行為由非線性器件引起，會(huì)導(dǎo)致在比發(fā)射頻率高數(shù)倍的頻率下產(chǎn)生輸出功率。由于許多無線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶外輻射進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，所以工程師會(huì)通過測量諧波來評(píng)估RF或FEM是否違反了這些輻射要求。
測量諧波功率的具體方法通常取決于RF的預(yù)期用途。對(duì)于通用RF等器件備來說，諧波測量需要使用連續(xù)波信號(hào)來激勵(lì)DUT，并測量所生成的不同頻率的諧波的功率。另外，測量諧波功率通常需要特別注意信號(hào)的帶寬特性。
使用連續(xù)波激勵(lì)測量諧波需要使用信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀。對(duì)于激勵(lì)信號(hào)，需要使用信號(hào)發(fā)生器生成具有所需輸出功率和頻率的連續(xù)波。信號(hào)發(fā)生器生成激勵(lì)信號(hào)后，信號(hào)分析儀在數(shù)倍于輸入頻率的頻率下測量輸出功率。常見的諧波測量有三次諧波和五次諧波，分別在3倍和5倍的激勵(lì)頻率下進(jìn)行測量。
RF信號(hào)分析儀提供了多種測量方法來測量諧波的輸出功率。一個(gè)直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菍⒎治鰞x調(diào)至諧波的預(yù)期頻率，并進(jìn)行峰值搜索以找到諧波。例如，如果要測量生成1GHz信號(hào)時(shí)的三次諧波，則三次諧波的頻率就是3GHz。
測量諧波功率的另一種方法是使用信號(hào)分析儀的零展頻（zero span）模式在時(shí)域中進(jìn)行測量。配置為零展頻模式的信號(hào)分析儀可以有效地進(jìn)行一系列功率帶內(nèi)測量，并將結(jié)果以時(shí)間的函數(shù)形式表現(xiàn)出來。在此模式下，可以在時(shí)域上測量選通窗口中不同頻率的功率，并使用信號(hào)分析儀內(nèi)置的取平均功能進(jìn)行計(jì)算。
除此之外，在射頻開關(guān)芯片的測試條件中一般規(guī)定了較大的輸入功率，因此需要外加射頻功率放大器將信號(hào)發(fā)生器的功率進(jìn)行放大后給被測器件。
在量產(chǎn)測試中，信號(hào)分析儀相對(duì)較高，因此依然可以使用矢量信號(hào)收發(fā)儀搭配高功率模塊來實(shí)現(xiàn)，最大化復(fù)用之前測試項(xiàng)所使用的儀器。
為了理解IMD，我們需要回顧一下非線性系統(tǒng)的多音信號(hào)理論。雖然單音激勵(lì)信號(hào)會(huì)在該信號(hào)頻率的每個(gè)倍數(shù)處產(chǎn)生諧波行為，但是多音信號(hào)產(chǎn)生的非線性產(chǎn)物需要在更寬的頻率范圍才會(huì)出現(xiàn)。
如圖11所示，DUT輸出端的二階失真產(chǎn)物出現(xiàn)在輸入信號(hào)頻率每個(gè)倍數(shù)的頻率處。f2 - f1, 2f1, f1 f2,和2f2處產(chǎn)生的失真產(chǎn)物包含每個(gè)輸入音的二次諧波以及兩個(gè)輸入音頻率相加和相減頻率處的失真產(chǎn)物。
圖11： IMD理論
三階失真描述的是一階基音信號(hào)和每個(gè)二階失真產(chǎn)物之間的相互作用。事實(shí)上，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，可以看到兩個(gè)特定的三階失真出現(xiàn)在接近基音頻率的頻率下。以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用為例，當(dāng)DUT發(fā)送調(diào)制信號(hào)時(shí)，三階失真作為帶內(nèi)失真出現(xiàn)在鄰近感興趣頻帶的地方。
IMD測量描述的是基音和相鄰三階失真之間的功率差的比率，用dB表示。IMD測量的一個(gè)重要特征是一階和三階失真之間的功率比完全取決于每個(gè)音的絕對(duì)功率電平。
在許多器件的線性工作區(qū)域中，一階音和三階失真產(chǎn)物的比率常常很高。然而，隨著基音輸入功率的增加，三階失真產(chǎn)物也隨之增加。實(shí)際上，基音的功率每增加1 dB，互調(diào)失真產(chǎn)物會(huì)增加3 dB。
理論上，由于三階失真產(chǎn)物功率的增加速度會(huì)比基音功率增加的速度更快，所以兩種類型的信號(hào)在功率電平上最終相等，如圖18所示。從理論上來講，基音和三階失真產(chǎn)物功率相等的點(diǎn)為截?cái)帱c(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)也稱為三階截點(diǎn)（TOI或IP3）。
互調(diào)失真（IMD）和三階截點(diǎn)（TOI）是NI-RFSA軟件前面板（SFP）的內(nèi)置測量功能。進(jìn)行這些測量時(shí)，可以將信號(hào)分析儀的頻率設(shè)置為以兩個(gè)基音為中心頻率，以確?？梢钥匆姼哂诒镜卦肼暤娜A失真產(chǎn)物。在NI-RFSA SFP上選擇檢測音，生成測量結(jié)果。NI-RFSA SFP會(huì)自動(dòng)識(shí)別基音的功率差以及三階失真產(chǎn)物的功率差，并顯示正確的測量結(jié)果。有關(guān)PXI RF信號(hào)分析儀的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問ni.com/rf/test。
圖 12： 基音信號(hào)功率每增加1 dB，三階失真產(chǎn)物功率增加3 dB
實(shí)際上，IP3/TOI是計(jì)算所得而非測量所得的結(jié)果。一階產(chǎn)物和三階產(chǎn)物之間的功率增加比是3:1，利用以下公式可以計(jì)算出IP3。
TOI是衡量射頻前端性能的重要指標(biāo)，因?yàn)镮MD比率取決于功率電平。TOI的測量將IMD性能的要素與絕對(duì)功率電平相結(jié)合，并通過一個(gè)數(shù)字來表示性能。
根據(jù)IMD測量理論，執(zhí)行該測量需要雙音激勵(lì)信號(hào)。在大多數(shù)應(yīng)用中，配置雙音激勵(lì)信號(hào)的首選方法是將RF信號(hào)發(fā)生器連接至RF功率組合器，如圖13 所示。
圖13： IMD測量需要連接至功率組合器的兩個(gè)信號(hào)產(chǎn)生器
由于IMD是一種常見的測量方式，許多RF信號(hào)分析儀具有內(nèi)置測量功能來測量IMD或IMD/TOI。事實(shí)上，NI-RFSA SFP可以自動(dòng)檢測基音和三階失真產(chǎn)物，并計(jì)算出IMD比。
聯(lián)系客服
