阅读说明：本技术 一种5g功率放大器测试装置及其方法 (5G power amplifier testing device and method thereof ) 是由 邢荣欣 王酣 王文娟 胡玉荣 危亮 陈小松 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种5G功率放大器测试装置及其方法,其中装置包括矢网、被测器件(DUT)、测试附件,其特征在于,还包括矢网输出端的和接收端的功放集成扩频模块；输出端的包括依次电连接的矢网输出端扩频模块、功放和双定型耦合器；接收端的包括依次电连接的矢网接收端双定型耦合器和扩频模块；每个双定型耦合器还经各自下变频器电连接矢网；方法采用上述扩频模块对矢网扩频后再进行指标测量,包括：功率增益、功率增益平坦度、线性功率增益、线性功率平坦度、1dB增益压缩输出功率、杂波抑制度、输入电压驻波比、输出电压驻波比、功率附加效率。这种装置及其方法大大降低了5G功率放大器的测试投入成本,同时有效规避禁购与技术封锁风险。(The invention relates to a 5G power amplifier testing device and a method thereof, wherein the device comprises a vector network, a Device Under Test (DUT) and a testing accessory, and is characterized by also comprising a power amplifier integrated spread spectrum module at the output end of the vector network and at the receiving end; the output end comprises a vector network output end spread spectrum module, a power amplifier and a double-shaped coupler which are sequentially and electrically connected; the receiving end comprises a vector network receiving end double-shaped coupler and a spread spectrum module which are sequentially and electrically connected; each double-shaped coupler is also electrically connected with a vector network through a respective down converter; the method adopts the spread spectrum module to carry out index measurement after vector network spread spectrum, and comprises the following steps: power gain, power gain flatness, linear power gain, linear power flatness, 1dB gain compression output power, clutter suppression degree, input voltage standing wave ratio, output voltage standing wave ratio and power added efficiency. The device and the method greatly reduce the test input cost of the 5G power amplifier, and effectively avoid the risks of purchase prohibition and technical lockout.)

一种5G功率放大器测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及射频微波器件测试，具体涉及一种5G功率放大器测试装置及其方法。

背景技术

第五代移动(5G)通信技术，在世界各国的重视促进下，快速蓬勃发展。它具有更快的速率、更宽的带宽、更高的可靠性、更低的时延等特点，将会给现在的工业体系带来革命性变革。为实现高速率、大带宽、高可靠低时延等特点，必将对相关元器件，特别是关键元器件的研发、生产制造及检测提出了更高的要求，如：微波放大器、混频器、滤波器、检波器及射频前端(RFFEM)等。

微波放大器是5G关键元器件中最关键的器件之一，极大地影响和制约着通信系统的性能。而功率放大器是微波放大器中常用并使用广泛的一种，通常位于通信系统的末端位置，对大功率信号在高频率、大带宽的条件下进行功率放大。5G功率放大器高频大带宽的特点，对测试设备的性能及测试方法方面提出了更高的要求。

基于传统方法，对于高频大带宽的功率放大器的测试更主要依赖于测试仪器的性能，如更高频率更大带宽的矢量网络分析仪、频谱分析仪等，但更高性能的测试设备意味着更高的仪器成本。并且我国的测试设备厂商与欧美先进厂商在技术方面有一定差距，由于各国的技术保护与封锁，存在测试设备禁购的风险，不利于进行持续、大规模的相关测试。以下矢量网络分析仪简称矢网。

为了解决上述问题，我们需要一种5G功率放大器测试装置及其方法，在成本低、风险可控的前提下实现对5G功率放大器的性能测试。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种5G功率放大器测试装置及其方法，能让低配低性能的射频测试仪器满足5G功率放大器性能测试的要求。

本发明的上述第一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器测试装置，包括矢量网络分析仪和被测器件，其特征在于，还包括：

矢网输出端功放集成扩频模块，包括依次电连接在所述矢量网络分析仪与被测器件输入端之间的矢网输出端扩频模块、矢网输出端功放和矢网输出端双定型耦合器，以及电连接在所述矢网输出端双定型耦合器另一输出端与所述矢量网络分析仪之间的矢网输出端下变频器；

矢网接收端功放集成扩频模块，包括依次电连接在被测器件输出端与所述矢量网络分析仪之间的矢网接收端双定型耦合器和矢网接收端扩频模块，以及电连接在所述矢网接收端双定型耦合器另一输出端与矢量网络分析仪之间的矢网接收端下变频器。

按照本发明提供的测试装置，所述矢网接收端功放集成扩频模块还包括电连接在所述矢网接收端双定型耦合器与矢网接收端扩频模块之间的耦合器，所述耦合器另外输出连接微波功率计和/或频谱分析仪。

按照本发明提供的测试装置，所述矢网接收端功放集成扩频模块还包括电连接在所述矢网接收端双定型耦合器与矢网接收端扩频模块之间的衰减器。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的功率增益测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

401)对测试装置校准并设置对应参数；

402)按详细规范对被测器件施加驱动；

403)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i达到规定值；

404)读取被测器件输出信号功率P_o；

405)由公式G_p＝P_o-P_i，计算得出功率增益G_P。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的功率增益平坦度测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

501)对测试装置校准并设置对应参数，包括频率规定值；

502)按详细规范对被测器件施加驱动；

503)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i达到规定值；

504)读取被测器件输出信号功率P_o；

505)根据公式G_p＝P_o-P_i，计算得出功率增益G_P；

506)在规定的频率范围内连续改变信号源频率，测得最大功率增益G_Pmax和最小功率增益G_Pmin；

507)由公式ΔG_P＝±(G_{P max}-G_{P min})/2，计算得出功率增益平坦度ΔG_P。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的线性功率增益测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

601)对测试装置校准并设置对应参数，包括频率规定值；

602)按详细规范对被测器件施加驱动；

603)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i处于功率增益不变的线性工作区；

604)读取输出信号功率P_o；

605)由公式G_p＝P_o-P_i，计算得出线性功率增益G_lin。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的线性功率增益平坦度测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

701)对测试装置校准并设置对应参数，包括频率规定值；

702)按详细规范对被测器件施加驱动；

703)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i处于功率增益不变的线性工作区；

704)保持输入信号功率P_i为指定值；

705)在规定的频率范围内连续改变信号源频率，测得最大线性功率增益G_linmax和最小功率增益G_linmin；

706)由公式ΔG_lin＝±(G_{lin max}-G_linmin)/2，计算线性功率增益平坦度ΔG_lin。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的1dB增益压缩输出功率测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

801)调准测试频率到规定值；

802)按详细规范对被测器件施加驱动；

803)对测试装置校准；

804)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i处于功率增益不变的线性工作区；

805)读取输出信号功率P_o，确定线性功率增益G_lin；

806)增加输入信号功率P_i直至功率增益下降到G_lin-1dB，获得当前输出信号功率为1dB增益压缩输出功率。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的杂波抑制度测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

901)调准测试频率到规定值；

902)按测试范围要求设置对应参数；

903)对测试装置校准；

904)按详细规范对被测器件施加驱动；

905)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i达到规定值；

906)在频谱分析仪上读取基波输出功率P₀、最大杂波输出功率P_SP；

907)由公式R_fs＝P_o-P_SP，计算杂波抑制度R_fs。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的功率附加效率测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

1001)调准测试频率到规定值；

1002)按测试范围要求设置对应参数；

1003)对测试装置校准；

1004)按详细规范对被测器件施加驱动；

1005)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i达到规定值；

1006)读取被测器件裸片的输出信号功率P_o，同时测试电源的电流V和电压I；

1007)由公式计算功率附加效率η_add，其中：q指占空比值。

本发明的上述另一个技术问题这样解决：构建一种5G功率放大器的输入/出电压驻波比测试方法，其特征在于，采用功放集成扩频模块对测试仪器进行扩频，包括以下步骤：

1101)调准测试频率到规定值；

1102)按测试范围要求设置对应参数；

1103)对测试装置校准；

1104)按详细规范对被测器件施加驱动；

1105)改变矢量网络分析仪的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使被测器件的输入信号功率P_i达到规定值；

1106)读取输入电压驻波比和输出电压驻波比。

本发明提供的5G功率放大器测试装置及其方法，与现有技术相比，用低配的矢网通过扩频方式测量较高频率和较大带宽的5G功率放大器，有效降低测试设备的成本；而低配的矢网我国已具备自产能力，且性能稳定能达到测试，因此能有效规避禁购与技术封锁的风险。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是本发明5G功率放大器测试装置第一实施例的结构示意图；

图2是信号时序关系示意图；

图3是与图1对应的5G功率放大器的功率增益测试方法对应流程示意图；

图4是与图1对应的5G功率放大器的功率增益平坦度测试方法对应流程示意图；

图5是与图1对应的5G功率放大器的线性功率增益测试方法对应流程示意图；

图6是与图1对应的5G功率放大器的线性功率增益平坦度测试方法对应流程示意图；

图7是与图1对应的5G功率放大器的1dB增益压缩输出功率测试方法对应流程示意图；

图8是与图1对应的5G功率放大器的杂波抑制度测试方法对应流程示意图；

图9是与图1对应的5G功率放大器的功率附加效率测试方法对应流程示意图；

图10是本发明5G功率放大器测试装置第二实施例的结构示意图；

图11是与图10对应的5G功率放大器输入/出功率驻波比的测试方法流程示意图。

具体实施方式

结合本发明具体实施例进一步对本发明进行详细说明：

第一实施例

㈠测试装置

该装置，结构如图1所示，包含矢量网络分析仪、矢网输出端功放集成扩频模块1、矢网接收端功放集成扩频模块2、微波功率计、频谱分析仪、被测器件DUT及其驱动单元、测试附件(如：连接线缆、微波探针等)。其中：

矢网输出端功放集成扩频模块1包含矢网输出端扩频模块、矢网输出端功放、矢网输出端双定型耦合器和矢网输出端下变频器；

矢网接收端功放集成扩频模块2包含矢网接收端双定向耦合器、矢网接收端下变频器、耦合器和矢网接收端扩频模块，通过耦合器外部连接微波功率计或频谱分析仪。

㈡工作原理

矢量网络分析仪输出测试信号经过矢网输出端扩频模块至网输出端功放后进入双定向耦合器，双定向耦合器一路信号通过下变频器后接入矢网同步信号，一路信号经过微波探针连接到被测器件上；

被测器件由脉冲调制源通过时序信号驱动，由直流测试系统测试栅极、漏极的电压、电流。

被测器件输出微波信号到微波探针，经双定向耦合器后一路信号通过下变频器后接入矢网同步信号，一路信号进入耦合器后分两路信号，其中一路经扩频模块返回矢网的测量接收机与参考接收机形成信号回路；另一路信号进入微波功率计可通过定向耦合器校准矢网的测量接收机，此路信号或进入频谱仪用于观察是否被测器件产生自激，以及用于谐波抑制度和杂波抑制度测试。

上述信号的时序，具体如图2所示，其中：t_GS为栅极驱动脉冲宽度，t_DS为漏极驱动脉冲宽度，t_SG为待测信号脉冲宽度，t_M为测量窗口脉冲宽度

㈢具体测试方法

·功率增益G_P：

测试原理：

由公式①计算功率增益G_P(单位为dB)：

G_p＝P_o-P_i………………………………①

式中：

P_i——放大器的输入功率，dBm；

P_o——放大器的输出功率，dBm。

测试程序，如图3所示，具体包括：

401)测试前按要求对测试系统进行校准；

按被测器件详细规范测试要求，设置矢网的各项参数；

402)按详细规范要求，对被测器件顺序施加相应大小的栅极、漏极偏置电压；如详细规范没有特殊要求，只加漏极脉冲信号。矢网测量窗口应包含在漏极脉冲之内，且处于漏极脉冲中间。参数具体需要在连续波下或者脉冲下测试，以及脉冲宽度的要求需根据详细规范确定；

403)改变矢网的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使施加到被测器件的输入信号功率P_i达到规定值。该测试过程，宜采用自动测试方式，根据详细规范的测试条件要求进行频率扫描或功率扫描。同时测试中，应保证最大测试功率点不应超出仪器设备和被测器件的承受能力；

404)利用矢网读取输出信号功率P_o。

405)根据公式①计算得出功率增益G_P。

·功率增益平坦度ΔG_P：

测试原理：

由公式②计算功率增益平坦度ΔG_P：

ΔG_P＝±(G_{P max}-G_Pmin)/2………………………………②

式中：

G_Pmax——在规定的输入功率下和规定的频率范围内所测得的最大功率增益，dB；

G_Pmin——在规定的输入功率下和规定的频率范围内所测得的最小功率增益，dB。

如图4所示，在固定测试频率、输入功率以确定步长条件下，按以下程序进行测试：

501)按被测器件详细规范测试要求，设置矢网输出端扩频模块的输出频率、功率及矢网输出端功放功率输出；

502)给被测器件按详细规范要求施加栅极、漏极偏置电压，注意加电顺序；

503)改变矢网的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使给被测器件施加的输入信号功率P_i达到规定值；

504)从矢网读取输出功率；

505)由公式①计算功率增益；

506)在相同的输入信号功率下,在规定的频率范围内连续改变信号源频率，测得最大功率增益G_Pmax和最小功率增益G_Pmin；

507)由公式②计算功率增益平坦度ΔG_P。

·线性功率增益G_lin：

如图5所示，在固定测试频率、输入功率以确定步长条件下，按以下程序进行测试：

601)按被测器件详细规范测试要求，设置矢网输出端扩频模块的输出频率、功率及矢网输出端功放功率输出；

602)给被测器件按详细规范要求施加栅极、漏极偏置电压，注意加电顺序；

603)改变矢网的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使给被测放大器施加的输入信号功率P_i处于线性工作区。用矢网找出功率增益不随输入功率变化的区域，即线性工作区；

604)从矢网中读取规定频率范围内输出信号功率P_o。

605)根据公式①计算得出线性功率增益G_lin。

·线性功率平坦度ΔG_lin：

测试原理：

由公式③计算线性功率增益平坦度ΔG_lin：

ΔG_lin＝±(G_{lin max}-G_linmin)/2………………………………③

式中：

G_linmax——在规定的输入功率下和规定的频率范围内所测得的最大线性功率增益，dB；

G_linmin——在规定的输入功率下和规定的频率范围内所测得的最小线性功率增益，dB。

如图6所示，在固定测试频率、输入功率以确定步长条件下，按以下程序进行测试：

701)将矢网的工作频率调到规定值，对测试系统进行校准；

702)给被测器件按先负后正的顺序加上规定的偏置电压；

703)改变输入信号功率，使输出信号功率的变化量与输入信号功率的变化量相同，确定被测器件的线性工作区；

704)给被测器件施加适当的输入信号功率；

705)在相同的输入信号功率下,在规定的频率范围内连续改变信号源频率，测得最大线性功率增益G_linmax和最小功率增益G_linmin；

706)由公式③计算线性功率增益平坦度ΔG_lin。

·1dB增益压缩输出功率P_o(1dB)：

应按以下程序进行测试：

按要求选定固定频率点、扫描输入功率，测输出功率，在增益压缩为1dB处时的输出功率，如图7所示，包括：

801)将矢网的频率调到规定值；

802)给被测器件按先负后正的顺序加上规定的偏置电压；

803)对整个系统进行功率和S参数校准；

804)给被测器件按详细规范要求施加栅极、漏极偏置电压，注意加电顺序；

805)改变矢网的输出功率或调整矢网输出端功放增益，使给被测器件施加的输入信号功率P_i达到规定值；

806)从矢网读取输出信号功率；改变输入信号功率，使输出信号功率的变化量与输入信号功率的变化量相同，确定被测器件的线性功率增益G_lin；

807)增加输入信号功率，直到当前功率增益相对于线性功率增益G_lin下降1dB，此时测得的输出信号功率即为1dB增益压缩输出功率P_o(1dB)。

·杂波抑制度R_fs：

测试原理：

利用频谱分析仪测试规定频率点的基波功率、谐波功率和杂波功率，测试时考虑系统损耗，并进行适当补偿，

由公式④计算杂波抑制度R_fs：

R_fs＝P_o-P_SP………………………………④

式中：

P_o——由频谱分析仪指示的基波输出功率，dBm；

P_SP——由频谱分析仪指示的最大杂波(不包括谐波)的输出功率，dBm；

应按以下程序进行测试，如图8所示，包括：

901)将矢网的频率调到规定值；

902)按照被测器件详细规范测试范围要求，设置矢网输出及矢网输出端功放功率输出；

903)对整个系统进行功率和S参数校准；

904)给被测期间按详细规范要求施加栅极、漏极偏置电压，注意加电顺序；

905)改变矢网的输出功率或调整矢网输出端功放，使给被测器件施加的输入信号功率P_i达到规定值；

906)将频谱分析仪的分辨率带宽调到规定值，在频谱分析仪上读取P₀、P_SP；

907)由公式④计算杂波抑制度P_fs。

·功率附加效率η_add：

测试原理：

由公式⑤计算功率附加效率η_add：

式中：

P_O——被测放大器的输出功率，dBm；

P_i——被测放大器的输入出功率，dBm；

q——占空比，对于连续波，占空比为1；

V——峰值电压，由电源提供给放大器，V；

I——峰值电流，由电源提供给放大器，A。

应按以下程序进行测试，如图9所示，包括：

1001)将矢网的频率调到规定值；

1002)按照被测器件详细规范测试范围要求，设置矢网输出及矢网输出端功放功率输出；

1003)对整个系统进行功率和S参数校准；

1004)给被测器件裸片按详细规范要求施加栅极、漏极偏置电压，注意加电顺序；

1005)改变矢网的输出功率或调整矢网输出端功放，使给被测器件施加的输入信号功率P_i达到规定值；

1006)从矢网上读取被测器件裸片的输出信号功率，同时测试电源的电流和电压；

1007)由公式⑤计算功率附加效率η_add。

第二实施例

㈠测试装置

该装置，结构如图10所示，由衰减器替代第一实施例矢网接收端功放集成扩频模块2中的耦合器，同时无须外部连接微波功率计或频谱分析仪，其他与第一实施例相同。

㈡工作原理

除衰减器使被测器件输出信号功率降低到矢网接收端扩频模块允许接受的功率范围内外，其他与第一实施例相同。

㈢具体测试方法

应按以下程序进行测试，如图11所示，包括：

1101)将矢网的频率调到规定值；

1102)按照被测器件详细规范测试范围要求，设置矢网输出及矢网输出端功放功率输出；

1103)对整个系统进行功率和S参数校准；

1104)给被测器件按详细规范要求施加栅极、漏极偏置电压，注意加电顺序；

1105)改变矢网的输出功率或调整矢网输出端功放，使给被测器件施加的输入信号功率P_i达到规定值；

1106)从矢网读取输入电压驻波比VSWR_i和输出电压驻波比VSWR_O。

以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，凡是熟悉此项技艺的专业人士，在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，应仍属本发明专利涵盖的范围内。