技術(shù)

你一定要看的NI射頻芯片測試方案

2018-08-09 來源：恩艾在您身邊字號：大中小

隨著無線設(shè)備復(fù)雜性急劇增加，手機(jī)支持的頻段數(shù)量也在不斷增加。從最開始的2個GSM頻段，到現(xiàn)在的4個GSM頻段，3個CDMA頻段，5個UMTS頻段和10個LTE頻段。未來，諸如5G New Radio等標(biāo)準(zhǔn)將繼續(xù)增加無線設(shè)備的復(fù)雜性。今天，我們將為各位介紹6個使用NI PXIe、STS、VTS等NI的軟硬件系統(tǒng)完成的測試方案。

1、插入損耗Insertion Loss

對于很多射頻無源器件來說，插入損耗是其中一個關(guān)鍵的測試項(xiàng)目。在一個系統(tǒng)之中，由于某個器件的插入而發(fā)生的功率的損耗便是插入損耗，通常插入損耗由dB來表示。

一般來說，對于射頻器件來說，如果在器件插入之前傳輸給負(fù)載的功率是，插入之后負(fù)載接收到的功率是，則以dB為單位的插入損耗由下式給出公式：

作為射頻開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，每個開關(guān)都會存在一些寄生電容、寄生電感、寄生電阻等。在開關(guān)做信號路由的時候，這些寄生元件會直接將信號進(jìn)行衰減和降低。而這些寄生元件隨著輸入信號頻率的變化引起功率損耗，因此對于射頻開關(guān)來說在不同頻率下進(jìn)行插入損耗測試是必要的一步。

使用NI VST矢量信號收發(fā)儀測試插入損耗

對于射頻開關(guān)進(jìn)行插入損耗測試的時候，可以使用NI VST矢量信號收發(fā)儀進(jìn)行測試。NI VST矢量信號收發(fā)儀將矢量信號發(fā)生器VSG和矢量信號接收器VSA兩種儀器功能集合在儀器。

并且VST的作用不僅僅在插入損耗測試上面，對于開關(guān)芯片及其他類型射頻前端芯片多種測試項(xiàng)也能良好地覆蓋，而不需要采用其他儀器即可完成，因此極大提升了測試項(xiàng)目的覆蓋率。

在對某通道（如RF1）進(jìn)行插入損耗測試的時候，如圖3 ，在芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后將RF1導(dǎo)通，已知由VST輸出功率，即芯片在Ant端口的輸入功率，測得RF1通道輸出的功率,因此即可以得出插入損耗功率值即：

圖3：使用VST進(jìn)行插入損耗測試

使用功率計進(jìn)行校準(zhǔn)

在進(jìn)行插損測試的時候?qū)τ诰€纜和其他元件（如在量產(chǎn)測試中加入的輔助開關(guān)）上的損耗需要進(jìn)行校準(zhǔn)，可以使用功率計來進(jìn)行校準(zhǔn)。我們可以將功率計連接至線纜與元件一端，通過VST的信號發(fā)生器輸出信號，在各種頻率下測得信號發(fā)生器以及線纜和其他元件的總損耗。

假設(shè)使用功率計進(jìn)行的測量結(jié)果正確無誤，就可以確定信號分析儀裝置的測量偏移，即可對進(jìn)行插損測試中使用的儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。NI同樣提供高精度的功率計，如需了解更多請訪問ni.com。

使用VNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試

對于很多無源器件來說，使用VNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是進(jìn)行插入損耗的良好選擇。PXI矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有兩個端口，因此您可以選擇T/R測試集或全S參數(shù)功能。PXI矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀支持自動精密校準(zhǔn)、完整矢量分析和參考平面擴(kuò)展，而且不像傳統(tǒng)臺式VNA那樣具有高成本和大尺寸。

針對于插入損耗測試，即S21參數(shù)，可直接利用VNA實(shí)現(xiàn)S21的測量。需要注意的是在使用VNA的時候?yàn)榱司_測量S參數(shù)，應(yīng)考慮到外部所有的線纜及路徑中所有的連接件，無論是使用短路-開路-負(fù)載-直通（SOLT）方法，還是使用VNA自帶的校準(zhǔn)套件，VNA需要進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。有關(guān)VNA校準(zhǔn)的更多信息，請訪問ni.com。

圖4：使用VNA進(jìn)行插入損耗測試

在量產(chǎn)測試中使用STS快速測量S參數(shù)

NI半導(dǎo)體測試系統(tǒng)（STS）是一款全自動化生產(chǎn)測試系統(tǒng)，采用全新的方法來測量生產(chǎn)測試中的S參數(shù)。該系統(tǒng)結(jié)合了端口模塊（port Module）與NI矢量信號收發(fā)器（VST）。除了開關(guān)和預(yù)選功能之外，端口模塊包含的定向耦合器可以有效地將VST轉(zhuǎn)換成VNA。

因此，可以在生產(chǎn)測試環(huán)境下快速測量S參數(shù)，而不需要使用其他儀器。S參數(shù)測量使用多端口校準(zhǔn)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，該模塊可以自動校準(zhǔn)多達(dá)48個RF端口。有關(guān)NI STS的更多信息，請訪問ni.com/semiconductor-test-system。

2、隔離度Isolation

隔離度是指的在待測端口檢測到無用信號的衰減度。一個高隔離度的開關(guān)能夠大幅度減少其他通道對其的影響，這樣保證了信號的完整性。

使用NI VST矢量信號收發(fā)儀測試隔離度

對于隔離度的測試，與插入損耗測試方法相近，因此同樣可以使用NI VST矢量信號收發(fā)儀。但是在測試系統(tǒng)設(shè)計上會再加入輔助開關(guān)來實(shí)現(xiàn)信號路由，如圖Figure 2所示^[1]。

按照隔離度的定義，如針對RF1與RF2通道之間的隔離度，可將芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后將RF1導(dǎo)通，即可測得芯片在Ant端口的輸入功率，同時可以測得在RF2處的輸出功率，因此即可計算處隔離度為：

使用VST及輔助開關(guān)進(jìn)行隔離度測試

同樣在針對于隔離度的測試上，線纜和輔助開關(guān)可以使用功率計來進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，并以此來設(shè)置儀器的偏移。

使用NI PXI射頻開關(guān)模塊在量產(chǎn)測試中進(jìn)行輔助開關(guān)設(shè)計

在之前提到的插入損耗和隔離度的量產(chǎn)測試中，射頻開關(guān)芯片的多個通道之間測試進(jìn)行切換而需要最大化復(fù)用儀器，因此我們使用輔助開關(guān)模塊對測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

NI射頻開關(guān)模塊

PXI射頻多路開關(guān)模塊是對于需要將儀器連接到DUT上進(jìn)行高通道數(shù)自動化測試的理想選擇，開關(guān)帶寬最高達(dá)40GHz。PXI射頻多路復(fù)用開關(guān)模塊使用多種繼電器類型，包括機(jī)電式電樞式、干簧管式、FET式和固態(tài)開關(guān)式，每一種繼電器都有各自的優(yōu)點(diǎn)，允許您選擇符合您要求的多路復(fù)用器。

此外，NI開關(guān)模塊提供了高級特性，如硬件觸發(fā)、板載繼電器使用計數(shù)跟蹤，并可根據(jù)需求進(jìn)行開關(guān)拓?fù)涞男薷摹?/p>

3、駐波比VSWR

VSWR是反射波到入射波的比值，在射頻開關(guān)芯片一些實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測試中會進(jìn)行這個項(xiàng)目的測試。在高頻情況下，對于一個理想系統(tǒng)，傳輸能量為100%；當(dāng)信號在不同的介質(zhì)（如一些阻抗不匹配的元件）上傳輸時，如果能量未被全部吸收，反射就會發(fā)生。

在射頻開關(guān)芯片中，這種不匹配可能是由于連接器上的阻抗不匹配等。VSWR是反射波功率的一種測量方法，它也可以用來測量傳輸線上的功率損耗。反射波與輸入信號疊加形成駐波，反射引起相消干擾，沿著傳輸線在不同時間、距離產(chǎn)生電壓波峰、波谷，因此VSWR被定義為最高電壓與最低電壓之比。

其中是輸入端口的反射系數(shù)，即S11參數(shù)，可使用VNA或者前文提到的STS端口模塊直接快速測量。

4、開關(guān)時間Switch Time

什么是開關(guān)時間？

開關(guān)時間(Switch Time)或切換時間指的是開關(guān)從“導(dǎo)通”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;截止”狀態(tài)或者從“截止”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;導(dǎo)通”狀態(tài)所需要的時間。具體來講是指從DUT接收到通道切換命令，到在被切換到的通道上信號的功率達(dá)到滿幅度值的90%的時間。

圖7: 開關(guān)時間測試

實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證分析

針對于實(shí)驗(yàn)室的測試，根據(jù)通常會考慮使用高帶寬高速示波器來進(jìn)行測試。測試方法是在兩個通道同時獲取DUT控制信號和射頻信號，并測量DUT控制信號的跳變沿和射頻信號到達(dá)相應(yīng)功率值時刻的時間差。

驗(yàn)證測試中示波器帶寬對于開關(guān)時間測試的影響

對于示波器而言，最關(guān)心的一個指標(biāo)就是帶寬。帶寬描述了從探針或測試夾具前端到ADC，輸入信號幅值損失最小時，可以通過模擬前端的頻率范圍。帶寬被定義為一個正弦波輸入，通過示波器后測得其原始幅值70.7%的頻率，也稱為-3dB點(diǎn)。在大多數(shù)情況下，我們建議示波器的帶寬是被測信號中最高頻率分量的2到5倍，將捕獲的信號幅度誤差影響降低到最小(帶寬要求=(2~5)*頻率)。

對于射頻開關(guān)的實(shí)驗(yàn)室開關(guān)時間驗(yàn)證測試，需要進(jìn)行DUT控制信號與射頻開關(guān)輸出信號達(dá)到對應(yīng)功率值時刻的時間差，因此對于兩者而言，上升時間測量是其中的關(guān)鍵。

圖8顯示了一個500MHz范圍測量高斯模型的階躍響應(yīng)。當(dāng)階躍相應(yīng)的最高頻率是4倍于儀器帶寬時（紅色曲線），我們看到的基本上僅是示波器的階躍響應(yīng)而不是輸入信號的階躍響應(yīng)。因此在進(jìn)行上升時間測量中有相當(dāng)大的誤差(416%)。被測信號與示波器(黃色曲線)具有相同帶寬時，仍然會導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差（40%）。我們可以看到，在被測信號頻率是示波器帶寬的1/3(綠色曲線)時，上升時間測試結(jié)果將相對準(zhǔn)確（僅4.4%）。所以一個很好的經(jīng)驗(yàn)方法是選擇一個至少是最高頻率3倍的模擬帶寬的示波器。

圖8：500MHz帶寬示波器對于不同階躍響應(yīng)的曲線

NI提供從400MHz到高達(dá)5GHz帶寬、分辨率從8位到14位的多種示波器選擇，滿足不同應(yīng)用下的測試任務(wù)。配合功能強(qiáng)大的交互式面板，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性測試進(jìn)行界面友好的調(diào)試，并同時搭配多種語言支持的API，如LabVIEW，C，Python等，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)驗(yàn)室的自動化測試開發(fā)。

利用PXI高精度同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)高速量產(chǎn)測試

在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測試中使用高帶寬示波器可進(jìn)行快速的波形查看及上升時間計算，但是這個方法在量產(chǎn)測試中即使能夠滿足測試需求，但是面對量產(chǎn)中成本和測試時間上的要求，價格不菲的高帶寬的示波器在系統(tǒng)成本上是一個巨大的開銷；同時DUT的射頻輸出在系統(tǒng)連接線設(shè)計上，除了要接入射頻儀器外，還需要額外將輸出接入到示波器上，這樣將增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，在量產(chǎn)測試中，我們會考慮其他設(shè)計方法。

進(jìn)行開關(guān)時間量產(chǎn)測試時，我們使用帶PPMU功能的NI Digital Pattern基于向量的數(shù)字儀器PXIe-6570，并配合NI VST矢量信號收發(fā)儀進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。PXIe-6570包含具有觸發(fā)和Pattern排序的深度板載內(nèi)存。通過基于向量的Pattern，它可將芯片編程到已知狀態(tài)。而最重要的是，基于PXIe總線的測試平臺設(shè)計了高精度、低延時的定是同步機(jī)制，這樣的指標(biāo)對于兩個模塊之間同步觸發(fā)的問題得到了很好的解決。

基于PXI的高精度同步觸發(fā)

NI為PXI和PXI Express機(jī)箱提供了定時和同步解決方案。最新的PXI Express對PXI平臺進(jìn)行了改革，在保留向后兼容的同時，針對測量I/O設(shè)備，提供了比PXI-1更強(qiáng)大的同步功能。具體體現(xiàn)在：

· PXI Express保留了原始的PXI規(guī)范中的10 MHz背板時鐘，以及單端PXI觸發(fā)總線和長度匹配的PXI星形觸發(fā)信號。

· PXI Express還在背板上增加了100 MHz差分時鐘和差分星形觸發(fā)，提供增強(qiáng)的抗噪音能力和業(yè)界領(lǐng)先的同步精度（分別為250 ps和500 ps的模塊間延遲差）。NI定時和同步模塊充分利用PXI和PXI Express機(jī)箱中的高級定時和觸發(fā)技術(shù)優(yōu)勢。

圖9：基于PXI的定時同步機(jī)制

在量產(chǎn)測試系統(tǒng)設(shè)計上，我們也充分利用了PXI平臺觸發(fā)總線的高準(zhǔn)確度、低延時特性。如圖10所示，基于向量的數(shù)字儀器PXIe-6570在給出控制命令的同時，產(chǎn)生一個事件觸發(fā)脈沖，這個脈沖通過PXI總線傳送到VST，觸發(fā)VST開始采集射頻信號。在系統(tǒng)中逐個檢查射頻信號采樣值的幅度，比較可得到第一個幅度滿足要求的采樣點(diǎn)，并且由于射頻信號采集的開始時刻就是開關(guān)切換的時刻，與滿足要求采樣點(diǎn)時間差乘以采樣周期就可以得到切換時間。

通過這樣的方式將極大提升儀器的復(fù)用率，而不需要額外示波器進(jìn)行測試，降低了測試成本，并且也減少了儀器間切換的時間，提升測試效率。

圖10：基于向量的數(shù)字儀器及VST的開關(guān)時間測試

5、諧波Harmonic

諧波行為由非線性器件引起，會導(dǎo)致在比發(fā)射頻率高數(shù)倍的頻率下產(chǎn)生輸出功率。由于許多無線標(biāo)準(zhǔn)對帶外輻射進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，所以工程師會通過測量諧波來評估RF或FEM是否違反了這些輻射要求。

測量諧波功率的具體方法通常取決于RF的預(yù)期用途。對于通用RF等器件備來說，諧波測量需要使用連續(xù)波信號來激勵DUT，并測量所生成的不同頻率的諧波的功率。另外，測量諧波功率通常需要特別注意信號的帶寬特性。

使用連續(xù)波激勵測量諧波

使用連續(xù)波激勵測量諧波需要使用信號發(fā)生器和信號分析儀。對于激勵信號，需要使用信號發(fā)生器生成具有所需輸出功率和頻率的連續(xù)波。信號發(fā)生器生成激勵信號后，信號分析儀在數(shù)倍于輸入頻率的頻率下測量輸出功率。常見的諧波測量有三次諧波和五次諧波，分別在3倍和5倍的激勵頻率下進(jìn)行測量。

RF信號分析儀提供了多種測量方法來測量諧波的輸出功率。一個直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菍⒎治鰞x調(diào)至諧波的預(yù)期頻率，并進(jìn)行峰值搜索以找到諧波。例如，如果要測量生成1GHz信號時的三次諧波，則三次諧波的頻率就是3GHz。

測量諧波功率的另一種方法是使用信號分析儀的零展頻（zero span）模式在時域中進(jìn)行測量。配置為零展頻模式的信號分析儀可以有效地進(jìn)行一系列功率帶內(nèi)測量，并將結(jié)果以時間的函數(shù)形式表現(xiàn)出來。在此模式下，可以在時域上測量選通窗口中不同頻率的功率，并使用信號分析儀內(nèi)置的取平均功能進(jìn)行計算。

除此之外，在射頻開關(guān)芯片的測試條件中一般規(guī)定了較大的輸入功率，因此需要外加射頻功率放大器將信號發(fā)生器的功率進(jìn)行放大后給被測器件。

使用高功率模塊及矢量信號收發(fā)儀VST進(jìn)行量產(chǎn)測試

在量產(chǎn)測試中，信號分析儀相對較高，因此依然可以使用矢量信號收發(fā)儀搭配高功率模塊來實(shí)現(xiàn)，最大化復(fù)用之前測試項(xiàng)所使用的儀器。

VST生成的單音射頻信號，經(jīng)NI的高功率模塊（NI 5534）放大，輸出功率可達(dá)38dBm，放大后的信號經(jīng)低通濾波達(dá)到被測器件，被測器件的輸出信號濾除主頻成分后，剩下的諧波成分通過輔助開關(guān)送入NI高功率模塊（NI 5534）的接收路徑，經(jīng)衰減后送入VST。

6、互調(diào)失真IMD

互調(diào)失真理論

為了理解IMD，我們需要回顧一下非線性系統(tǒng)的多音信號理論。雖然單音激勵信號會在該信號頻率的每個倍數(shù)處產(chǎn)生諧波行為，但是多音信號產(chǎn)生的非線性產(chǎn)物需要在更寬的頻率范圍才會出現(xiàn)。

如圖11所示，DUT輸出端的二階失真產(chǎn)物出現(xiàn)在輸入信號頻率每個倍數(shù)的頻率處。f2 - f1, 2f1, f1 + f2,和2f2處產(chǎn)生的失真產(chǎn)物包含每個輸入音的二次諧波以及兩個輸入音頻率相加和相減頻率處的失真產(chǎn)物。

圖11：IMD理論

三階失真描述的是一階基音信號和每個二階失真產(chǎn)物之間的相互作用。事實(shí)上，通過數(shù)學(xué)計算，可以看到兩個特定的三階失真出現(xiàn)在接近基音頻率的頻率下。以一個實(shí)際應(yīng)用為例，當(dāng)DUT發(fā)送調(diào)制信號時，三階失真作為帶內(nèi)失真出現(xiàn)在鄰近感興趣頻帶的地方。

IMD測量描述的是基音和相鄰三階失真之間的功率差的比率，用dB表示。IMD測量的一個重要特征是一階和三階失真之間的功率比完全取決于每個音的絕對功率電平。

在許多器件的線性工作區(qū)域中，一階音和三階失真產(chǎn)物的比率常常很高。然而，隨著基音輸入功率的增加，三階失真產(chǎn)物也隨之增加。實(shí)際上，基音的功率每增加1 dB，互調(diào)失真產(chǎn)物會增加3 dB。

理論上，由于三階失真產(chǎn)物功率的增加速度會比基音功率增加的速度更快，所以兩種類型的信號在功率電平上最終相等，如圖18所示。從理論上來講，基音和三階失真產(chǎn)物功率相等的點(diǎn)為截斷點(diǎn)，這個點(diǎn)也稱為三階截點(diǎn)（TOI或IP3）。

使用PXI信號分析儀測量IMD和TOI

互調(diào)失真（IMD）和三階截點(diǎn)（TOI）是NI-RFSA軟件前面板（SFP）的內(nèi)置測量功能。進(jìn)行這些測量時，可以將信號分析儀的頻率設(shè)置為以兩個基音為中心頻率，以確保可以看見高于本地噪聲的三階失真產(chǎn)物。在NI-RFSA SFP上選擇檢測音，生成測量結(jié)果。NI-RFSA SFP會自動識別基音的功率差以及三階失真產(chǎn)物的功率差，并顯示正確的測量結(jié)果。有關(guān)PXI RF信號分析儀的更多信息，請訪問ni.com/rf/test。