解析功率放大器PA非线性表征的挑战及创新

什么是功率放大器?

功率放大器 （Power Amplifier）是一种电子设备，用于将低频电信号转换为高功率信号。功率放大器是通信系统中射频链路质量的重要贡献者。线性度对于具有高峰均比（PAPR）信号的系统至关重要。射频链路的非线性响应直接影响解调误差，导致误码率变差。此外，非线性会产生频谱再生，从而导致对其他频段的干扰，因此保持射频链的线性度对于无线通信的质量至关重要。

功率放大器根据不同的应用领域和输出功率的需求，可以分为多种类型，例如家用功率放大器、车载功率放大器、舞台高功率放大器等。不同类型的功率放大器在设计和实现上有所差异，但它们的基本原理是相同的。

线性度是什么意思？

线性度（Linearity）是衡量系统或设备输出与输入之间关系的一个重要指标。它用于描述系统或设备在一定范围内是否能够以线性的方式响应输入信号的变化。线性度是许多工程和科学领域中的关键概念，对于准确测量、控制和模拟等任务非常重要。

线性度是指系统或设备输出与输入之间的关系是否符合线性关系。在理想的线性系统中，输出信号与输入信号之间存在着简单的比例关系，如y = kx，其中k为常数。如果系统或设备的输出与输入之间存在非线性关系，就会产生线性度误差。

线性度通常以百分比或分贝（dB）作为单位来表示。较高的线性度意味着系统或设备能够以更接近于线性的方式响应输入信号的变化，而较低的线性度则意味着存在较大的非线性失真。

在实际应用中，线性度是评估系统或设备性能的重要指标之一。例如，在测量仪器中，线性度可以影响测量结果的准确性和可靠性。在信号处理和通信系统中，线性度可以影响信号传输的质量和带宽效率。因此，评估和优化线性度是确保系统或设备正常运行的关键步骤。

本文重点介绍宽带大功率放大器的失真测量。了解如何为宽带应用进行激励响应测试，并介绍创新的功放测试方法。

放大器原理

功率放大器是使输入讯号进行放大的器件，它的作用是将电信号（电流或电压）放大到足够大到可以驱动负载的输出功率；而将输出讯号的能量转换成相应的光信号或其它所需形式的信息。

在电子电路中，一般把这种具有放大功能的装置称为功率放大器（poweramplifier）。

功率放大器的工作原理

输入信号经过放大器的输入端口，经过输入匹配电路后被传递到放大器器件。放大器器件将输入信号放大到所需的输出水平放大器器件的类型决定了其放大能力和最大输出功率。输出信号经过输出匹配电路，使其与负载的阻抗匹配，这有助于确保输出信号的最大功率传递到负载上。放大器的电源提供所需的电压和电流来驱动放大器器件，以确保放大器的输出功率满足要求。

总之，功率放大器的工作原理是将输入信号经过放大器器件放大，使其达到所需的输出功率水平，并经过输出匹配电路传递到负载上。

前置放大器是什么？前置放大器和功率放大器有什么区別？

什么是前置放大器？

前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，是专为接受来自信源的微弱电压信号而设计的。它能将弱电信号转换成输出信号足够强，噪声耐受性足够强的信号以用于进一步处理，让信号避免失真。

前置放大器电路示意图

前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大，低噪声前置放大器就是使电路的噪声系数达到最小值的前置放大器。对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的主要部件之一。

整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。

前置放大器和功率放大器的区别

简单来说，前置放大器就是把毫伏(mV)、微伏(µV)、纳伏(nV)级的小信号放大到毫伏，伏级别。可以在示波器等检测仪器上面监测到，不用输出功率驱动负载。

而功率放大器就是把信号源的毫伏(mV)、微伏(µV)、纳伏(nV)级的小信号放大到百伏甚至千伏级别，用来驱动压电陶瓷、换能器、线圈等容性、感性负载的放大器。强调输出功率。

前置放大器

为了量化调制信号激励条件下的PA非线性性能，通常使用误差矢量幅度 (EVM) 作为带内失真的考量，而邻道功率比（ACPR）则用来衡量带外特性。下面我們將介绍调制激励条件下创新功放测试方法。

PA测试的挑战

5G应用带来通信技术的革命性变革。无线通信行业对系统完整性、电源效率和设备可靠性的重视持续增长。5G系统需要更快地开发高度集成、可靠的射频设备，以实现更快的数据传输速率。

在无线通信系统中，功率放大器(PA)占据传输链的最后一级，为天线提供所需的射频功率，如图1 所示。PA功率放大器是5G发射机的传输质量和电池寿命的关键决定因素。

典型通信射频传输链路 - PA 功率放大器是5G发射机的传输质量和电池寿命的关键决定因素

为了满足5G系统要求，开发人员需要准确且可重复的测试来验证发射机部件的性能。5G系统所需的大带宽和复杂的调制方式，对元器件的EVM性能提出了更高的要求。开发人员面临缩短系统开发周期和提高测试效率的双重挑战。

通常，研发人员使用矢量信号分析仪（VSA）和矢量信号发生器（VSG）在时域进行非线性PA测试。然后，再利用VNA进行网络分析，我们将此过程称为信号分析仪方法。

是德科技采用频域表征方法，即矢量网络分析仪 (VNA) 方法，只需要VSG和ENA-X VNA以及调制失真（MOD）软件，而不需要信号分析仪。VNA方法改进了性能指标的评估方法和准确性，并通过简化PA测试设置将测试周期时间缩短了50%。

为什么要表征PA非线性?

有很多参数用于放大器指标表征，EVM（矢量幅度误差）和ACPR（邻道功率比）对于功率放大器性能验证来说是最为关键的。非线性响应直接影响信号解调和误码率 (BER)，而且非线性导致频谱再生，在特定的信道之外的频段中产生干扰。EVM和ACPR指标可以量化功率放大器非线性性能。

对于用宽带输入信号激励的PA，非线性会导致带内和带外失真产物。虽然工程师通过滤波消除线性失真，而非线性效应则难以解决。开发人员必须量化 PA非线性，以确保设备满足效率规范并遵循严格的5G EVM和ACPR标准。本质上，强线性度表明功率放大器将放大输入信号而不会增加失真。

MOD失真应用中测量的输入/输出频谱

EVM是什么意思？为什么EVM很重要？

矢量幅度误差（error vector magnitude）EVM是指理在给定时间的理想参考信号和所测信号之间的矢量差。在数字通信系统中应用最为广泛的调制质量指标是误差矢量幅度(EVM)。参见图4。误差矢量是一个复参量，包含幅度和相位分量。不要将误差矢量幅度与幅度误差、误差矢量相位与相位误差相混淆。

误差矢量幅度(EVM); 实际测得的信号与理想参考信号的差异

EVM是用于评估通信系统带内失真的行业标准指标。误差矢量是特定时间理想参考信号与测量信号之间的矢量差。非理想条件下会使接收和发送的信号失真，因此量化调制信号质量需要EVM测试。802.11ac和5G NR等标准都设置了可接受的最低EVM指标。

什么是ACPR? 为什么ACPR很重要？

邻信道功率比ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) 是指相邻频率信道的平均功率和当前所用信道的平均功率之比。

ACPR和邻道泄漏比 (ACLR）指的是同一概念。该指标衡量一个信道对另一信道的可能干扰程度。ACPR是用于量化带外失真特性的行业标准指标。ACPR测试对于UMTS和LTE标准尤为重要。

随着系统复杂性迅速增加，5G传输系统需要精确的测量来确保其性能符合更严格的要求。例如，256QAM要求EVM达到3.5%，而1024QAM的EVM则需达到1%。

时域与频域测试

时域和频域是两种表征方法。虽然传统时域表征方法可以满足之前的需求，但5G NR技术则需要更为精简且准确的表征方法。

时域表征

时域测试是指针对时间进行的测量。示波器是时域测试设备的一个典型示例，它测量元器件的电压和电流（y轴）作为时间（x 轴）的函数。传统上，PA非线性特性需要使用信号分析仪和VSG在时域中进行测量。VSG向被测设备 (DUT) 提供输入信号，而信号分析仪捕获输出信号并计算EVM和ACPR等指标。

这种时域表征方法满足了过去的通信要求，而5G FR2系统则要求开发人员使用毫米波（mmWave）频谱中极宽的信号带宽来测量其性能指标。由于多种因素，新一代技术使得信号分析仪法进行PA性能表征（尤其是EVM）变得越来越具有挑战性。

系统EVM与DUT EVM有什么差异？

信号源完整性直接影响EVM测试结果。在信号分析仪方法中，测试系统的EVM（或残余 EVM）与DUT EVM无法区分。信号分析仪假定测量到的任何误差均归因于待测PA。这不仅不准确，而且随着EVM要求变得越来越严格，它很难准确评估PA是否符合5G标准。

此外，随着信号带宽越来越宽，系统的信噪比 (SNR) 会下降。噪声限制了测量中可分辨的最小EVM。低功率水平下的随机噪声也会导致EVM测试的准确性和可靠性降低。输入信号的非理想性和接收机处的宽带噪声限制了信号分析仪可测得的最小EVM。

校准挑战

信号分析仪方法的校准所面临的问题包括复杂性、信号保真度和可重复性。尽管存在多种校准测试系统的方法，但即使是最先进的技术也可能会出现误差，尤其是当测试信号具有较宽的带宽且DUT失配较大时。

使用不会产生任何PA非线性失真的信号分析仪对输入信号进行数字化，可以减小EVM测试误差。然而，该解决方案在大带宽上面临巨大的实施挑战。该解决方案还需要对信号分析仪有深入的了解，并且会大大影响整个测量速度。这些校准方法过程复杂且受到随机误差的影响。信号保真度给信号分析仪方法带来了另一个问题，因为较高频率下的电缆损耗和不匹配，导致施加到DUT的实际信号与理想信号存在偏差。

所需设备

如前所述，传统的时域测试系统需要三个主要设备：VSG、信号分析仪和VNA。此外，时域表征需要每个仪器都有独特的布线和校准设备。在信号分析仪和VNA之间交替进行DUT参数测试在硬件、软件和外围设备方面的成本更高。由于重新校准和连续切换系统设置，还增加了设备测试时间。通过在E5081A ENA-X VNA解决方案上使用高达44GHz的频域表征，避免了浪费宝贵的时间进行手动重新配置系统或切换复杂的基于开关的系统。

功率放大器测量应用软件通过连接到信号发生器执行功率放大器测量。

频域表征

频域测试是指针对频率进行的测量。VNA是频域测试设备的范例，用于测量作为特定频率（x轴）函数的信号功率（y轴）。VNA是元器件测试和电气网络分析的首选仪器。典型的VNA元器件测试包括S参数、增益压缩和互调等。

然而，借助调制失真 (MOD) 软件，ENA-X VNA超越了传统标准网络分析仪，可以直接表征PA失真参数。ENA-X VNA内置一个集成上变频器以提高灵活性，仅需一台低频矢量信号发生器 (VSG）即可进行复杂的宽带调制测量。例如，生成44GHz调制激励仅需要使用KEYSIGHT N5186A MXG射频矢量信号发生器，如下图所示。

ENA-X VNA通过全集成、单次连接/多种测量的方式来表征EVM和ACPR指标，从而降低频域测试的复杂性。ENA-X提供了硬件路径中的切换，以实现调制信号在VNA测试端口和参考接收机之间连接。通过将网络分析和失真表征功能整合到一套测试系统中，ENA-X使开发人员能够完成S参数、EVM测试和ACPR测试，而无需重新连接DUT，从而最大限度地缩短测试时间。此外，使用MOD软件进行频域表征可实现更低的残余EVM，并实现全矢量校正以提高精度。

什么是调制失真分析? 调制失真分析改进了什么?

随着5G开发的不断进展，PA需要进行调制信号激励的放大。与简单的信号激励一样，PA调制信号性能在接近放大器饱和点的功率水平下实现最高效率。然而，无线标准限制了特定RF组件在一定频率范围内允许的最大杂散发射。开发人员必须在这些复杂的调制方案下表征放大器，以验证其在这些限制内的性能。

调制失真软件利用矢量校准的ENA-X重新构建放大器失真测试，以获得准确且可重复的EVM结果，如下图所示。MXG的宽带输入信号利用频谱相关技术为DUT提供激励，MOD应用软件在频域逐点进行输入、输出信号的测量。然后，ENA-X将频率拼接在一起以实现宽带相干测试。测量的输出信号分解为线性和非线性相关分量。此时，MOD失真应用软件在频域进行EVM和ACPR计算。

VNA上的EVM和ACPR测量

ENA-X VNA使用最先进的校准技术来消除测量中测试设置的各种影响（输入端口不匹配、通道功率和源误差影响）。更宽的动态范围和源功率校准还可以提供更准确和可重复的EVM测试。

简单的设置和单一连接

用于测量S参数、增益压缩和噪声系数的相同设置，也可以实现EVM测试和ACPR测试。可以通过一次设置、一次连接和一次“cal-all”校准来获取线性和非线性性能参数。

最佳的测量精度和重复性

当使用ENA-X VNA测量非线性DUT性能时，夹具去嵌入等校准方法可以将校准端面移动到DUT端面。输入端口失配和通道功率也是可校正的——就像IQ数据一样——在参考平面上产生平坦的输入信号，并抑制信号ACPR。鉴于这种测量的相干性，每条迹线都相同，从而使ENA-X校准技术能够快速提供测量重复性和输入信号保真度。

最低的残余EVM

更宽的系统动态范围或更低的本底噪声使MOD应用软件可以将DUT造成的失真分离出来。这意味着频域PA表征可将系统失真和噪声与DUT的EVM区分开来，从而净化PA表征并揭示PA的真实性能。

ENA-X VNA增强高功率放大器测试PA测试的主要优势

虽然低功率条件足以获取线性S参数，而增益压缩和失真测试则需要高功率输入信号。此外，大多数PA设计将在接近饱和的情况下运行，以优化功率附加效率（PAE），同时保持整体系统级性能目标。在低功率水平下，SNR或噪声系数影响EVM最大，在高功率水平下，非线性失真在EVM中占主导地位。

为了完成PA非线性表征，需要一个用于高功率测试装置的升压放大器。但在设置和校准中增加部件会增加测量的复杂性和潜在的误差。ENA-X的设计考虑了这些高功率因素的影响。

值得注意的是，E5081A网络分析仪为高功率PA测试提供接收机直接接入和接收机衰减器。

接收机直接接入

升压放大器的超高反向隔离S21，使得利用标准设置进行精确的PA S11测试具有挑战性。ENA-X网络分析仪通过可配置的测试系统架构提供内部接收机直接接入作为解决方法，如下图所示。

可配置的架构使开发人员能够将PA S11信号重新路由，通过升压放大器直接到达ENA-X接收机。这种灵活性可以在高功率信号条件下进行精确的放大器S11测试。

使用2端口E5081A ENA-X进行高功率PA测试的典型配置

接收衰减器

PA测试仪器的内部组件功率处理能力是高功率测试的关键考虑因素。高功率水平可能会损坏网络分析仪，从而导致昂贵的维修费用。通常，高功率放大器测试需要外部衰减器以防止潜在的接收机压缩所导致的测量不准确或测试装置损坏。然而，添加外部装置会增加测试系统潜在的误差和校准复杂性。为了最大限度地降低仪器损坏和测量误差的风险，ENA-X网络分析仪提供了内置接收衰减器，从而无需外部衰减器。

结论

由于宽带信号、复杂的调制方案以及日益严格的EVM和ACPR要求，设计5G系统功率放大器面临着巨大的挑战。传统的信号分析仪表征方法不再满足设计工程师的需求。E5081A ENA-X调制失真解决方案提供了多项PA表征优势，可克服宽带测试挑战：

• 宽动态范围，由于本底噪声较低，因此可实现低残余EVM

• 轻松校准矢量校正测量，增强PA输入端的信号保真度，从而显着提高测量可重复性

• 先进的软件允许在调制条件下进行失真分析

如何使用数字预失真提升功率放大器效率？

提升功率放大器（PA）的线性度和效率，需要采用一种称为数字预失真的线性化方法。数字预失真法将非线性特性扩展到基带，以抵消RF PA的压缩特征。在理想情况下，预失真器和PA级联，可以实现线性工作，并有一个恒定增益放大原始输入。使用预失真器，PA在达到饱和点之前可以一直保持良好的线性度，效率大大提升。

数字预失真（DPD）法使用信号发生器生成预失真波形，再使用信号分析仪提取DPD模型。信号分析仪随后会将查询表（LUT）或系数等模型参数传输给信号发生器。信号发生器对波形进行预失真。然后，将波形回放至被测器件（DUT）功率放大器。这种功放测试方法有助于改善邻道功率比和误差矢量幅度，使其更接近线性操作。

针对任何PA性能表征，VNA对于表征线性和非线性性能至关重要。通过MOD软件，测试系统可进行传统的VNA测试、EVM测试和ACPR测试。ENA-X网络分析仪的独特架构使RF开发人员能够在单个简化设置上执行多种多端口测试，从而提高测量精度和可重复性、缩短测试周期时间并获得最低的残留EVM测试结果。