5G射频元器件测试平台和技术_沙长涛.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|29电子元器件与材料5G射频元器件测试平台和技术沙长涛，邢荣欣中国电子技术标准化研究院，北京100176摘要：随着5G产业的全面发展，5G时代的新需求也给国内射频产业链带来了快速发展的机会，5G基站的建设、智能手机、可穿戴智能设备的应用以及其他5G物联网移动终端的制造需求将拉动5G射频元器件市场大幅增长，与此同时也带来了大量5G射频元器件的射频参数测试工作。本文基于矢量网络分析技术，针对微波功率器件特殊的封装形式，分析了测量夹具引入误差的不可忽略性；研究5G射频元器件测试技术，通过研制测试板、夹具和校准件，对射频放大器、下变频器和射频前端进行了测试，并验证了放大器、滤波器的射频参数，得到了较好的预期测量结果。本研究通过试验数据表明了测量夹具误差去除前后对测量结果的影响，对微波功率器件的测量具有一定的参考价值。关键词：测试；射频器件；5G；夹具；矢量网络分析仪中图分类号:TB9 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.008 0引言5G系统具有大带宽、高频段、高速率、新型调制编码方式等特点，射频元器件的性能指标将直接影响整个系统的性能，是5G技术研发及产业化的基础和保障1。对元器件参数进行精确测量是5G系统设计的基础，有助于提升系统设计性能、降低系统设计冗余。因此，5G元器件性能测试备受关注2-5。目前，5G射频元器件的性能测试主要有两种方式，一种是基于矢量网络分析仪的测量方式，另一种是基于信号源和频谱分析仪的测量方式，两种方式的测量原理、测量仪器不同，适用范围也有所不同6-8。基于矢量网络分析仪方式适用于小信号射频参数的精确测量，信号源、频谱仪方式则更适合大信号射频参数的测量，测量方法相对传统，各实验室利用现有设备比较容易建立测量平台。本文重点讨论了5G射频器件专用测试夹具、验证件的研制及校准方法，搭建了基于矢量网络分析仪的5G射频元器件测试平台，测试了小信号射频参数并进行了数据对比。15G射频元器件测试及主要参数射频元器件是5G通信系统的基础和核心，典型5G通信系统的主要射频元器件包括：放大器（PA）、调制器、混频器、低噪声放大器（LNA）、自动增益器（AGC）、滤波器、天线等元器件或组件，系统组成如图1所示。随着电路集成水平的提高，将放大器、射频开关、滤波器等多个部件集成在一起，构成射频前端（FEM）。FEM是数字信号向无线射频信号转化的基础部件，涵盖了发射通路和接收通路。概括来说，5G通信系统元器件的主要参数包括：误差矢量幅度（EVM）、幅度误差、相位误差、频率误差、时间偏移、载波馈通、输入/输出功率、效率、邻道泄漏比（ACPR）、频谱模板（SEM）、数字预失真（DPD）前的EVM、DPD后的ACPR、S参数（增益/损耗、时延、驻波参数等）、1dB压调制器滤波器滤波器滤波器低噪放大器自动增益控制滤波器放大器放大器本振本振本振本振本振本振混频器混频器混频器混频器解调器天线天线图 1典型 5G 通信系统组成dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术30|缩点、交调、脉冲上升/下降时间、顶降、开关切换时间、相位噪声等关键参数9。2基于矢量网络分析仪的测试方法矢量网络分析仪是一种分析元器件性能的基础射频微波测量仪器，主要用来测量高频器件、电路及系统的性能参数，如线性参数、非线性参数、变频参数等，可实现在固定频点下按功率对器件进行特性扫描和在固定功率下按频率进行特性扫描10。矢量网络分析仪由矢量信号源、矢量接收机、功率分配/开关等组成，基本结构如图2所示。矢量网络分析仪可实现对被测元器件输入信号的激励和输出信号的测量，从而对器件的输入、输出特性进行分析11。矢量信号源矢量接收机 2（参考）矢量接收机 1（参考）矢量接收机传输信号输出信号端口 2端口 1输入信号被测器件反射信号衰减器衰减器功率分配/开关图 2矢量网络分析仪基本结构图针对基于矢量网络分析仪的5G元器件测试，测试系统结构如图3所示。由于矢量网络分析仪为同轴接口，而被测器件一般为方形扁平无引脚封装（QFN）、微带线等非同轴结构，测试时需要设计符合器件封装形式的测试夹具或测试板等，将矢量网络分析仪同轴结构与被测器件的非同轴结构进行连接转换。为消除测试夹具或测试板对测试结果造成的影响，还需要夹具校准件。对于功率放大器、射频前端等有源器件，测试时还需要配置直流供电电源或者直流参数测试系统。直流电源/直流测试系统夹具/测试板校准件矢量网络分析仪测试夹具或测试版被测器件图 3基于矢量网络分析仪的测试系统图基于矢量网络分析仪的5G元器件测试方案可实现以下参数的测试：工作频带宽度、输入/输出反射系数（电压驻波比）、增益/损耗、增益平坦度、1dB压缩功率、输出饱和功率、功率附加效率等。进行各参数测试前，应将被测元器件通过测试夹具或测试板与网络分析仪相连接，并利用校准件对测试夹具/测试板进行校准，校准频率范围应至少覆盖测试频率范围。最后设定扫描功率和扫描频率范围，如测试元器件为有源器件，还应按照加电顺序施加规定的供电电源。表表 1参数定义与测试方法序号参数与符号定义测试方法1线性增益 Glin小功率/大功率下，输出信号与输入信号功率之比（dB）。在小功率/大功率下，利用网络分析仪扫频测量 S21。2增益平坦度 G规定频段范围内，增益最大值与最小值差值的 50%。在固定功率下，利用网络分析仪扫频测量增益平坦度。3工作频带宽度（fH-fL）改变工作频率导致线性增益下降3dB 对应的高低频率之差。在固定功率下，利用网络分析仪扫频测量 S21 参数。4输入反射系数 IRL输出反射系数 ORL在特定频点下，端口反射电压与入射电压之比。在固定功率下，利用网络分析仪扫频测量 S11 和 S22。51dB 压缩输出功率P1dB增益值下降至线性增益下降 1dB时对应的输出功率。在固定频率下，从器件线性工作区开始，不断提高网络分析仪的测试电平，至增益降低 1dB 时的输出功率。6功率附加效率PAE射频输出功率与耗散的直流功率之比。测量被测器件输出功率和供电电源消耗功率，计算功率附加效率。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|31电子元器件与材料1给出了各参数的定义和测试方法。3测试夹具或测试板及校准件矢量网络分析仪在测量S参数时，由于测量电路不理想以及使用测量夹具和接收机的非线性等因素，会引入各种误差。因此，在测量前必须确定这些误差在每个频率点的值，并加以修正，才能得到精确的测量结果，这个过程就是夹具的去嵌入校准过程。在搭建测量系统的过程中，首先，矢量网络分析仪通过源功率校准、接收机校准、相位校准等自身内部的校准，将测量电路不理想、接收机非线性等因素带来的系统误差校准修正，此时，通常可以将测量端面延伸到测量夹具的端口；然后，通过TRL（Through，直通；Reflect，反射；Line，传输线）校准件，校准测量夹具在每个频率点上的特性参数，将测量端面延伸到被测器件的端口12-14。测试夹具或测试板连接被测5G射频微波器件，矢量网络分析仪测试其S参数。通常每个被测元器件的封装结构和尺寸都是不相同的，因此对于每个非标同轴结构的被测元器件都需要专门研制测试夹具或测试板和校准件。由于测试仪器设备通常为同轴或波导接口，而被测元器件为QFN、裸芯片等结构（如图4所示），因此必须采用特定的测试夹具或测试板进行转接。测试夹具或测试板是测试的必备部件，针对每款被测器件，由于其封装形式、外形尺寸和信号排布位置的不同，基本都需要单独研制测试夹具和夹具校准件。图 4部分被测元器件外观图4试验验证TGA2522-SM型功率放大器为Qorvo公司生产的5G功率放大器，工作频率范围为1724 GHz，饱和输出功率为28dBm（0.63W），封装形式为QFN封装。本文设计制作了该功放的测试板和测试板校准件，如图5和图6所示。(a)功率放大器测试板PCB(b)实物图图 5功率放大器测试板 PCB 及实物图图 6功率放大器测试板配套校准件本文在基于矢量网络分析仪平台测试方法的研究基础上，以TGA2522-SM为例，设计、仿真、研制了测试板和夹具校准件，仿真结果如图7所示。其中，图7（a）为传输线仿真结果，图7（b）为短路线仿真结果。为了验证测量夹具的校准效果，利用直通校准件，对经TRL校准前后的差入损耗和回波损耗数据进行了对比，如表2所示。由表2的数据对比可以看出，夹具校准后的直通差损均小于0.15dB、回波损耗均小于-15dB，满足器件测试要求。表 2测试数据对比参数17 GHz20 GHz24 GHz校准前 校准后 校准前 校准后 校准前 校准后插入损耗/dB-8.20.12-7.60.15-5.30.13回波损耗/dB-5.3-17.3-2.1-16.8-3.5-16.6dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术32|（a）传输线仿真结果（b）短路线仿真结果图 7测试夹具仿真结果 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|33电子元器件与材料利用以上测试设备、测量夹具和夹具校准件搭建测试系统，编写自动测试软件，软件界面如图8所示，然后进行测试验证，得到TGA2522-SM型功率放大器的部分测试数据，如表3所示。图 8测试软件界面通过对测量夹具校准，可以将测量夹具的特性参数提取出来，生成一个“s2p”格式的文件。在后续的测量当中，该文件可以利用矢量网络分析仪去嵌入功能，在实时测量中去除测量夹具的影响，此时测量端面就被延伸到了被测器件的两端，消除了测量夹具引入的误差。通过将测试结果与器件典型值对比来看，试验验证结果吻合较好。5结语本文通过对5G射频元器件测试方法的研究分析，搭建了基于矢量网络分析仪、测试夹具、夹具校准件、测试软件等的测试平台，并对5G放大器的射频性能参数进行了实际测试验证。测试验证结果表明，矢量网络分析仪测试方法更适合5G射频元器件小功率射频参数的测试，具有测试流程简便、测试数据准确度高、可靠性高且稳定等优点。此外，文中的夹具仿真设计、去嵌入和校准方法，对今后从事此项测试工作的研究人员来说具有一定的借鉴价值。参考文献1 王酣,邢荣欣.5G关键元器件测试与校准初探J.中国计量,2019(6):76-79.2 XINGRX,WANGH,etal.DigitalpredistortionandmeasurementmethodJ.Instrumentation,2020(6):60-66.3 XINGRX,WANGH,etal.EnveloptrackingandmeasurementJ.Instrumentation,2020(3):66-71.4 张耀,苏进.面向5G毫米波通信的砷化镓低噪声放大器设计J.无线互联科技,2021(17):9-105 张红云.5G对射频元器件提出更高的要求,罗德与施瓦茨提供测量方案J.电子产品世界,2021,28(6):14.6 张翠翠,王益.有源器件端口反射系数测量方法分析J.太赫兹科学与电子信息学报,2015(2):267-271.7 唐宗熙,李恩.一种测量微波功率放大器件输出端反射系数的新方法J.计量学报,2001(2):147-151.8 卞悦,顾易帆.基于矢量网络分析仪的低噪声放大器测试系统J.中国集成电路,2017(10):54-59.9 黄方祥.微波单片集成电路测试技术研究J.电子质量,2022(4):30-32.10陈新,程宁.微波器件测量手册矢量网络分析仪高级测量技术指南M.北京:电子工业出版社,2014:249-330.11夏文诚,陆国平.网络分析仪的原理分析J.集成电路应用,2017(11):71-73.12王文娟.固态微波功率器件测量夹具及其校准技术研究J.计测技术,2017(4):36-39.13王尊峰,杨保国,马景芳.基于TRL校准的夹具测试技术浅析J.国外电子测量技术,2017(7):116-119.14霍晔,吴爱华,王一帮,等.无源器件在片散射参