用于大规模量产射频开关芯片的谐波测试系统

胡信伟

上海知白智能科技有限公司 上海 200333

引言

谐波（Harmonics）是一个数学概念，也是一个物理概念，是射频测试中非常重要的一个测项。对于一个周期性的非正弦信号来说，通过傅里叶变换，可以得到它在频域上的基波和谐波分量，谐波在频率上是基波的倍数，两倍的分量称为二次谐波，三倍的分量称为三次谐波，以此类推。一个类似方波的时域信号从频域中观察就是具有一个基波和非常多谐波的信号[1]。

谐波指标可以表征一个射频开关的非线性程度，如果射频开关呈现完美线性，那么一个正弦信号进入开关之后，将不产生谐波信号。然而，不产生谐波信号的完美的线性开关并不存在，通过谐波测试，可以得到这种非线性的数值表达。换句话说，二次谐波分量和三次谐波分量越小越好。

二次谐波和三次谐波的单位是dBc，代表这个分量的功率与基波分量的功率比，这两个值通常是负数，也就是说这两个功率值通常小于基波的功率值。谐波指标与输入基波的频率有关，通常频率越高，谐波指标越差。谐波指标也与输入基波的功率有关，通常功率越高，谐波分量越大。

1 测试原理

采用一个完美的正弦发生器作为测试的信号源，把信号打入被测的射频开关，由于非线性的作用使得从射频开关输出的信号产生了谐波，通过对输出信号的基波幅值和谐波幅值的测量就可以得到在某个频率﹑某个功率下的谐波值。

根据这个原理设计的框图在实际测量环境下并不能完成测试，这里有几个比较严重的问题。首先，没有一个正弦发生器是“完美”的。从谐波测试场景来分析，所谓的“完美”是希望得到一个没有谐波分量的正弦波，而没有一个信号源可以让得到的正弦信号完全不包含谐波分量；其次，如果被测的射频开关性能不错，那么它的基波信号和谐波信号的幅值差就有可能非常大，如果超出了测量设备的动态范围，那么将无法同时测得基波和谐波的幅值，典型的情况就是测量到的信号中，谐波信号被完全淹没在底噪里；再次，即使测量设备的动态范围可以满足要求，一个大信号和一个小信号同时进行测量，小信号的精度就很难得到保证。为了能够在实际量产测试环境中搭建一套可用的测试系统，一定要解决上述提到的问题。

2 测试系统设计

要解决第一个问题，一个比较直觉的想法就是采用一个带通滤波器把谐波信号过滤掉，以此得到 “完美”的正弦波。

根据理论分析，系统经过这样的改进，就可以得到一个比较“完美”的正弦波了，这个正弦波在频谱仪上看不到谐波分量，这样就可以保证进入到被测开关的信号是没有谐波的，那么从被测开关输出的信号如果有谐波，就一定是由被测开关产 生的了。

从图1可以看到这个系统工作的时候，信号波形产生的变化，一个合适的带通滤波器在这里可以把不需要的谐波信号都滤除掉，而从被测开关输出之后，因为非线性的影响，又产生了许多谐波分量。

图1 信号波形的变化

这种方式在这里有个限制，由于采用了滤波器，因此只能根据滤波器的滤波范围和带宽来限定可以通过这个系统测试谐波的射频开关的频段，滤波器限制了这套系统的兼容性。换句话说，如果滤波器适合的是GSM的频段，那么它就无法兼容3G的频率，每套滤波器的选择限定了一种射频前端开关的制式和频道，针对不同制式和频道的开关，选择单一的滤波器或者滤波器组不能解决问题。这个问题暂时还没有完美解决[2-4]。

接下来要解决第二个问题，第二个问题的本质是动态范围，也就是同时需要测量一个比较大的信号和一个比较小的信号，那么一个比较直觉的做法就是看有没有可能让这两个信号变成差不多的大小。要让主波信号和谐波信号变成同一个数量级，通常的做法是增加输入信号的功率，因为在功率增加的时候，谐波由于是原信号的多次项，幅值的增长率是基波信号的N倍，这里N是谐波次数，比如2次谐波的幅值增长率是2倍于基波，3次谐波的幅值增长率是3倍于基波的。因此如果谐波的幅值太小，可以通过增加基波的功率的方式来快速提升谐波的功率，在某一个功率点，谐波和基波会达到相同的幅值，这个幅值通常被称为二阶交调点（二次谐波的功率和基波的功率相同）或者三阶交调点（三次谐波的功率和基波的功率相同）。要增加基波的功率，需要用到的就是一个功率放大器，因此需要在上面的设计中增加一个功率放大器。

要注意的是，滤波器必须放置在功率放大器的后面，否则功率放大器本身的非线性会产生新的谐波分量。加入了放大器，可以更容易测量被测开关的谐波分量，不过这里关于滤波器频段选择的问题依然存在，宽带的功率放大器一般比较难做，窄带功放的选择也更多，功放的频段选择同样也限制了测量系统的适用范围。这个问题也没有完美解决。

要解决第三个问题，也就是小信号测不准的问题，可以采用双工器来解决，双工器本质上是两个滤波器，选择双工器跟选择滤波器一样，一般双工器的低频段是一个带通滤波器，高频段是一个高通滤波器，也有的高频段也是一个带通滤波器的，低频段和高频段有一定的频率间隔，对于我们的谐波测试，这个间隔要求很低，绝大多数的双工器都能满足。用双工器可以分开两路不同频率的信号，基波信号通过低频段滤波器输出，而谐波信号通过高频段滤波器输出。通过这种方式，可以在谐波小信号通道利用低噪声放大器得到谐波信号的幅值而在基波大信号通道通过衰减器降低基波幅值并进行采集，确保在测量设备的动态范围内找到最合适的幅值点，得到比较高的测量精度。如图2：

图2 使用双工器分开两路不同频率的信号

增加了这部分改进，上面提到的主要的3个问题都得到了一定程度的解决，但是与上述两个解决方案相同，由于使用了双工器，被测射频开关的频段也是受到了一定的限制，不能适应所有频段的被测射频开关。

3 测试系统的改进设计

研发环境或者实验室环境通常由研发人员手动操作实验过程，根据被测件的不同，选择手动连接不同的链路，可以更换合适的滤波器﹑功率放大器﹑双工器﹑低噪放等，灵活度很高，不太受环境限制。而量产环境中通常一台测试机需要适配非常多种类的被测器件，遇到不同频率范围的器件是非常常见的情况，而且工厂环境拥挤﹑嘈杂，对调试时间也有很高的要求，用手动更换外围部件的方式不太合适，也不太安全。

鉴于此，为了应对大规模量产测试机的应用场景，必须设计一套可以满足绝大多数射频开关测试的系统。经过半年时间对现有被测件进行了大量的调研和归纳总结，设计了几个常用频率分段，然后通过增加开关链路的方式在测试机内部通过软件设置切换这些频率分段，从而达到可以满足绝大多数射频开关测试的要求。如图3：

图3 射频开关测试系统

这次对于测试系统的改进主要就是在链路上增加了不少多路开关，目的就是通过开关来切换不同的滤波器﹑功率放大器﹑低噪放﹑双工器来完成繁多的频率分段，适应不同制式和频道的开关被测件。

可以看到，要设计一个可以用于大规模量产射频开关芯片的测试机上的谐波测量系统是一个非常复杂的工程。为了让这套系统真正能够成为量产测试的助力，设计了一套完备的校准工具来让这套系统可以准确地工作。

校准工具的设计实际上分为两个主要部分，一个部分是对于测试链路的矢量去嵌，换句话说就是使测量被测件的谐波指标不受测量系统本身非线性因素的影响，那么理论上就需要在未接入被测件的时候测量这套谐波测试系统本身的S参数，在得到S参数之后，可以采用两端口网络的去嵌算法去除测试系统对测量结果的影响。另一个部分是对测试链路的功率校准，由于需要测量信号的幅值大小，因此需要对功率测量的准确性进行校准，也就是测量测试系统的发射和接收信号功率。

4 实测数据和性能表现

基于上述原理，设计了RF46101选件，配合派格测控的PGT-X116射频前端芯片测试机，就可以对上述的原理进行参数验证并且观察它的性能表现了。

实验的自动化测试软件如图4所示：

图4 自动化测试软件

可以看到在测试的十颗样品里有一颗芯片测试失败，其余九颗都是完全符合要求的。

用其中一颗SPDT开关的数据来举例，输入到开关公共端的信号功率为26dBm，通过测量输出端的基波和谐波分量，可以得到如下表格：

这个结果是符合SPDT厂家的技术规格书上的标称指标，测试结果也得到了客户的认可。整个测试的过程耗时大约0.2s，包括测试报告的生成时间，对于量产测试来说是令人满意的。为了验证系统的可靠性和数据的稳定性，又对其进行了一次测试，得到的数据与上一次的数据相差不到0.3dB，符合预期。

5 结论

本文研究了一种适用于大规模量产射频开关芯片的测试方法，根据改进的方案设计了一套基于这个方法的测试系统，并且用这套系统实测了一款SPDT芯片，用这套测试系统可以在0.2s以内对这颗芯片的谐波参数进行测试并给出测试报告，并且在隔天测试中表现出了比较好的稳定性和一致性，从速度和精度上看，这个测试方法是适合大规模量产使用的。