原创 测量器件功率和增益的方法

测量器件功率和增益的方法

作者：Frédéric Fernez

RF晶体管和RF集成电路上的功率测量的复杂性日益增大。在高功率设备性能测量中，最重要的是测量饱和功率，由于很难用CW技术来评估参数，它通常在脉冲状态下测试。本文介绍的方法消除了用于测量的经典方法中的某些重大缺点。该方法无需外部个人电脑，只使用了Rohde&Schwarz公司的一些SMIQ信号发生器，并利用了如同高动态范围峰值计量器一样工作的FSP信号分析仪的一些鲜为人知的性能。

通过使用线迹算术运算(trace math)和标记，可以在一直到设备饱和功率级的任何一个压缩级直接读取增益和功率。对一个来自Freescale半导体为UMTS频段(模式MW4IC2230MB)而设计的高增益LDMOS电源RF集成电路进行测量显示了该方法的优点。

饱和功率是一个重要的设备或放大器特性，因为数字预矫正系统常常被用来线性化多载波蜂窝基站功率放大器。饱和功率通常看成是前置补偿功率放大器可能的最大输出功率。即使LDMOS设备比双级晶体管更强健，要测量高CW功率级仍然困难。实际上，自热式设备几乎不可能产生准确和可复验的测量。这样的结果是，通常采用脉冲信号完成饱和功率的测量。典型地，使用具有脉冲输入的信号产生器和具有两个感应器的峰值功率计量器。于是，设备的输入功率会得到增加，部分输出功率与输入功率之比可在PC的帮助下得出。

然而，该方法的准确度有限。双通道峰值RF功率计量器要求两个感应器在给定的动态范围内运作以获得更佳的准确度。假如测试工作台设计适当，该条件很容易实现。可是如果被测器件(DUT)有高增益，比如象多级RF集成电路，就会出现另一个错误源：感应器不能在校准(当被测器件被穿透基准取代)和测量期间，在同一动态范围内运作。因而，在测量结果和工作台被校准的功率级别之间，存在相互依赖性。

测试工作台

测试台(图1)使用一个与SMIQ RF信号发生器“脉冲”输入相连接的脉冲发生器。为了在功率扫描模式中使用SMIQ，功率扫描必须与信号分析器中的时基扫描同步。幸好，当与二极管检测器和类似XY模式滤波镜的显示器相关联时，这一类信号发生器具有可以被用作纯量网络分析仪(SNA)的特性。在SMIQ的后部面板上，有几个带有功率扫描斜线以驱动滤波镜的X轴的BNC连接器，以及校准显示器X轴的标记。既然这样，“标记”的输出被当作信号分析器的触发信号来使用。

SMIQ的“标记”输出与一根BNC电缆相连，连接到FSP的“外部触发器”输出。“标记1”设置为“扫描开始”值，SMIQ的RF输出与一个可变衰减器相连。这样，DUT输入上的功率等级可以在不改变信号产生器中扫描过程的“开始”和“停止”值的情况下被调整。

我们倾向于推荐该方法，因为如果扫描时的“开始”和“结束”值被修改，而“标记1”的位置未变，则射谱分析器的同步将会不规则，而一旦标记处于功率扫描范围外，甚至会无法同步。一个高功率放大器被用来驱动DUT以确保驱动器放大器在DUT之前不会饱和。输入输出耦合器允许对要发送到频谱分析器的信号部分取样。一个校准衰减器被用作负载量，以便获得一个在进入负载衰减后作为偏差可以用标准功率计量表测量的准确功率参数。

在测量之前，必须校准频谱分析器的输入输出路径。通常，DUT被一个穿透基准取代，并且信号发生器在CW模式下工作。功率计量器读取贯穿穿透基准的功率等级，而频谱分析器在“零档”模式读取输入或输出耦合器的耦合路径上的绝对功率。这样就有可能确定通向频谱分析器的输入输出路径上的衰减。称这些值为将来参数的“IN_OFFSET”和“OUT_OFFSET”。

确定所有参数以便DUT的电流消耗不会偏离静态电流，从而确保稳定的热反应。信号发生器通过选择模拟调制清单上的脉冲可选项转换为脉冲模式。在扫描清单中，选择功率扫描模式。开始等级被设置为-20dBm，停止等级设置为0dBm。0.2dB的步长可有101个测量点。必须小心选择停顿时间。如果选择的值太小，在功率扫描期间可能出现的瞬变会导致DUT损耗的电流与静态电流偏离。在保持20s的适当短暂扫描时间时，200ms的停顿时间可以忽略其影响。同一个清单上，标志1被设为扫描的开始值，即-20dBm，由选择“开”状态激活。图2显示了详细的配置序列。

正如已经提到的一样，频谱分析器在“零档”模式下使用。不论是分辨率带宽还是视频带宽，均设为10MHz，因为频谱分析器被用来测量峰值功率。基于同样的理由，检测器必须在“最大峰值”模式下设置。选取25s的扫描时间以便获得对屏幕的整体扫描。选择外部触发器的可选项。利用“触发器偏差”特性将屏幕上的轨迹置于中心也是一种明智的选择。-2s即是合适的。图3显示了详细的配置序列。

对脉冲长度和工作循环的选择必须不干扰测试时设备的热态，同时还必须符合频谱分析器的响应时间。1?s的脉冲时长和1ms的循环周期会有好结果。

这一段介绍的结果是基于对Freescale半导体为UMTS波段(MW4IC2230MB)设计的LDMOS电源RF集成电路的测量结果。它具有大约30dB的微信号增益和远大于+47dBm的饱和功率。由于它的高增益，它是有关该方法优点的一个完美范例。

输入变数衰减器最初被设置为它的最大值。DUT被连接，频谱分析器被连接到输出耦合器的耦合路径。当处于“清除/写”模式时，输入功率斜线在分析器屏幕上被描绘成一个不对称的锯齿形。然后，可变输入衰减器被断开，并且将开始出现DUT饱和的影响(斜线的顶部开始弯曲)。衰减不断减小直到锯齿形的顶端被切断，确保达到饱和。

用于频谱分析器的功能序列显示在图4中。此刻，频谱分析器连接到输入，且输入功率在第二条线迹(线迹2)获取，并保持在“观察”模式。图5中的黑色线迹即得。当在输出再连接分析器之后，从第三条线迹(线迹3)获得输出功率，同样也保持在“观察”模式。通过设置“输出偏差”值的参数等级偏差，该值在校准阶段被设为43.7dB，从“线迹3”可以直接读取以dBm为单位的绝对输出功率，图5中的绿线即得。通过在锯齿末端的平面区域安置标记，可以读取如图5中绿线所示的饱和功率。MW4IC2230MB显示+47.23dBm的饱和功率。

功能序列

用于频谱分析器的功能序列显示在图6中。线迹1设定为计算“线迹1”减去“线迹2”，后者包含了输入功率。这样，新获取的输出功率将提供一个以dB为单位的增益图。“线迹位置”特征被用作获得直接读取以dB为单位的绝对增益的一个偏差。线迹偏差被设置为“输出偏差”减去“输入偏差”。这种情况下，“输入偏差”在校准阶段被确定为30.7dB，结果得到偏差值为13dB。该值不能直接作为以dBm为单位的偏差值加入，因为“线迹位置”清单只接受作为Y刻度百分比的输入。旋转钮用来获取与13dB偏差值相对应的正确百分比。图7中的蓝线即为所得。

增益(蓝线)和输出功率(红线)被同时绘制，且每个图都被“校准”，也就是说，标记读取值就是绝对值。标记1设置在蓝线上的微信号增益上，测量值为29.8dB。该标记被用作“变量增量标记”的参数。还是增量曲线，一个标记被用于“变量增量标记”模式以确定1dB压缩级(标记2)，另一个以确定3dB压缩级(标记3)。当挑选功率线迹后，第四个标记(绿线上的标记4)被设为与标记2或者标记3同样的横坐标，以便直接读取在1或3dB压缩级上的输出功率。在该例中，可获得+45.74dBm的1-dB压缩级和+46.69dBm的3dB压缩级。在脉冲条件下进行功率测量的方法允许在高功率RF晶体管和RF集成电路中被快速和方便地执行，消除了以往方法的局限性。