通信体系下微波放大器的测试方案分析

王倩

关键词：放大器测试通信

微波放大器是很多通信系统的核心组件之一，在5G以及4G等诸多体系中都被广泛应用，是保证信号质量的一个重要支持力量[1]。在当前的信息时代背景之下，社会对通信的传输速率提出更高的要求。在对应的5G工作体系中，微波放大器较4G环境中所承担的职责也有差异，需要能够在更高的载波频率以及5G调制信号环境中进行工作，而对应的诸如线性度、信噪比、误差矢量幅度EVM、放大效率和稳定性等相关参数，也都提出了更高的要求。鉴于此，在5G通信环境下，就需要对微波放大器在检测方面加强建设，确保其能够达到对应的性能标准，以便正常投入工作[2]。

一般而言，微波放大器的很多性能参数都被认定为线性，但实际上，也有很多特征呈现出非线性的属性，因此在对微波放大器进行测试时，就需要切实考察其属性，合理布局测试内容。具体而言，诸如S参数、增益压缩、谐波失真以及数字矢量调制误差特性等，都应当包括在放大器的测试工作范围之中。

1S参数测试

对于处于线性区域工作的微波放大器而言，利用网络分析仪就可以对其增益、输入/输出匹配和隔离度等特征属性进行测定。具体的测定方法与一般情况下对无源性元器件的测定方法大体一致，即在被测试元件DUT的一个端口上加入激励，而后测量对应的传输信号，并且计算出对应的S参数。在这个测试方案中有一个假设，即被测试元器件必须是一个线性元件，否则用此种方案进行参数测试就无法获取准确结果。因此，在展开测试之前，必须首先明确元件的线性工作区以及增益等数据。测试原理见图1。

2增益压缩测试

对于工作在非线性状态之下的微波放大器而言，能够反映工作性能的核心指标是增益压缩，即指当输入功率提升时所带来的增益衰减，这个概念考察的是当增益发生单位变化的时候，对应的功率上升值。在具体的测试中，同样采用传统方案开展工作，即在待测频点的线性区域施加特定功率的载波信号，并且用功率计对输出功率进行测定，获取对应的功率增益。而后不断调整源头功率输出，一直到增益保持在1dB水平，从而获取对应的压缩功率。对应的测试结构参见图2。

除了上述传统测试方案以外，利用网络分析仪也能展开压缩功率的测试工作。具体而言是选用图1中的测试结构，但是为了防止经过放大器之后的输出功率过高而导致网络分析仪接收端口损伤，需要在接收端口加装一个衰减器。在测试时，首先设定起始频点，将网络分析仪设定为功率扫描模式，并将游标的频率值作为功率扫描的固定频率，这样就可以获取线性区域到非线性区域的功率扫描轨迹。为了进一步通过特征点的标定，需要确定对应压缩功率。此测试方式比传统方式更为快捷简单，因此在目前广为沿用。

3失真测试

在微波放大器的实际工作中，失真包括谐波失真和互调失真，对应的测试工作也必须区分对待。

谐波测试是用一个信号源作为激励，而后用频谱仪来测量输出功率，并且得到对应的谐波幅度。為了能够准确获取失真情况，捕捉对应的基波和谐波幅度，频谱仪的扫频范围需要从基波频率开始，不断向高次谐波频率进行调整，并且不断缩小频带宽。其具体的测试逻辑结构参见图3。

在放大器领域，窄带放大器有着相对独立的特征。双音激励之下的三阶交调失真是突出的失真指标，其也被称之为互调失真IMD。所谓交调就是指功率放大器的输入信号包括多个频率的时候，因为放大器非线性的工作特征，导致输出信号中除了原有频率，还会存在新的频率（即交调分量），对应的失真称为交调失真。在实际工作中，可以用两路信号源以及合路器来实现对于交调参数的确定，参见图4。

就目前的技术发展而言，更多的先进设备开始应用到该领域中，已经能够实现对于放大器三阶交调的直接测定。具体的工作原理和传统测试方案基本一致———能够产生两个源信号，进行合成之后加载到被测试的系统中，从而产生对应的信号被矢量接收机所接收，进而获取三阶互调相关参数。

4数字预失真测试

数字预失真（DPD，DigitalPre⁃Distortional）指的是由于放大器本身的非线性特征会随着输入功率的不断增加，而呈现出功率放大衰减的特征。随着放大器这种工作特征的出现，随之引发诸多问题（包括增益的线性度下降、误差矢量幅度和邻道功率泄漏比等参数问题）并且不断恶化。针对此问题，可以在放大器前面增加预失真器，用以实现对于放大器非线性特征的补偿。当信号经过预失真器之后，再进入到放大器级联系统的时候，就会降低失真，理想的情况下甚至可以消除失真，从而实现线性化。此技术本身属于开环技术，在稳定性和成本等方面都表现良好。

针对数字预失真的测试，需要采用DPD和不采用DPD两种状态下分别获取误差矢量幅度和邻道功率泄漏比等相关数据[3]，从而才能通过对比定量分析DPD功能效果，最终确定何种数字预失真器最适合当前系统。

5噪声系数测试

对于放大器而言，噪声系数测试是涉及相对较少的一个测试环节。但是，如果放大器被应用在接收机或者其他一些对噪声要求比较高的环境中，还是需要进行噪声系数测试[4]。低噪声放大器的典型增益范围需要保持在10～20dB，由多级低噪声放大器组成的低噪声模块可以在系统中产生更高的增益。噪声测试原理参见图5。在进行噪声测试的时候，用噪声分析设备的探头机型进行测试可以获取对应的噪声系数等相关参数。

6功率附加效率测试

如果在通信系统中大量使用放大器，效率就会成为关乎整个系统运行状况和能耗等方面的关键指标，其标志着放大器需要消耗多少直流功率才能转化出对应的射频功率。较为常用的效率表述方式是用功率附加效率（PAE，PowerAddedEfficiency）。

PAE的定义是：被测试的放大器的输出功率与输入功率的差值与直流加载功率的比值，单位为百分比，其实际工作原理可以参见图2。在进行测试的时候，需要将信号源以特定的输入功率加载在测试放大器上，放大器由直流电源进行驱动[5]，并且由功率计对输出功率进行测定，驱动电源则可以反馈对应的驱动动力数据，从而计算出对应的PAE值。

此外，线性状态下的放大器的直流功率保持恒定常值，对应的PAE数据会随着输入功率的增加而不断提升，一直到放大器进入到非线性工作状态，并且产生对应的增益压缩。

7数字调制矢量误差特征测试

误差矢量幅度又叫误差向量幅度（EVM，ErrorVectorMagnitude），即压缩失真信号与期望幅度之间的差值，该误差差值包括相位误差和幅度误差两个部分，是研究放大器增益压缩对复杂调制信号影响程度的一个重要参数。放大器所支持的数字调制方式决定了测试时射频矢量信号源和频谱分析仪的调制方式，并且利用其所产生的数字调制信号，用频谱分析仪对需要测试的放大器所产生的输出信号进行解调，以此获取对应的数字调制矢量误差参数。最后处理测试结果，并消除在测试过程中所产生的数字调制矢量误差，据此获取调制矢量误差。具体测试原理结构参见图6。

在图6结构的支持之下，同样可以展开对于功率以及频谱特征参数的测试———将频谱分析仪设定为测量模式，对输出功率以及邻道功率比和邻道泄漏比进行测量，即可获取对应的结果。

在通信系统中，想要保证放大器满足系统需求，必须从微观角度出发，深入考察每一个细节，并加强检测，从而提升放大器的适用性和整体质量水平。除了上述几个测试内容，围绕能量的包络跟踪测试能够依据射频信号的包络实现对供电的调节，优化系统能耗并且改善散热压力。虽然不会直接影响通信质量，但这同样是放大器不容忽视的测试内容。由于篇幅限制，在此不再讨论。

除此以外，在测试的过程中，还特别应当注意加强对被测设备以及测试工具的安全保护工作[6]，认真考察其所能承受的测试范围，避免出现烧坏、损毁情况。