你一定要看的NI射频芯片测试方案

2018-08-09 来源:恩艾在您身边 我要评论(0) 字号:

随着无线设备复杂性急剧增加,手机支持的频段数量也在不断增加。从最开始的2个GSM频段,到现在的4个GSM频段,3个CDMA频段,5个UMTS频段和10个LTE频段。未来,诸如5G New Radio等标准将继续增加无线设备的复杂性。今天,我们将为各位介绍6个使用NI PXIe、STS、VTS等NI的软硬件系统完成的测试方案。

1、插入损耗Insertion Loss

对于很多射频无源器件来说,插入损耗是其中一个关键的测试项目。在一个系统之中,由于某个器件的插入而发生的功率的损耗便是插入损耗,通常插入损耗由dB来表示。

一般来说,对于射频器件来说,如果在器件插入之前传输给负载的功率是 ,插入之后负载接收到的功率是,则以dB为单位的插入损耗由下式给出公式:

作为射频开关的关键指标之一,每个开关都会存在一些寄生电容、寄生电感、寄生电阻等。在开关做信号路由的时候,这些寄生元件会直接将信号进行衰减和降低。而这些寄生元件随着输入信号频率的变化引起功率损耗,因此对于射频开关来说在不同频率下进行插入损耗测试是必要的一步。

使用NI VST矢量信号收发仪测试插入损耗

对于射频开关进行插入损耗测试的时候,可以使用NI VST矢量信号收发仪进行测试。NI VST矢量信号收发仪将矢量信号发生器VSG和矢量信号接收器VSA两种仪器功能集合在仪器。

并且VST的作用不仅仅在插入损耗测试上面,对于开关芯片及其他类型射频前端芯片多种测试项也能良好地覆盖,而不需要采用其他仪器即可完成,因此极大提升了测试项目的覆盖率。

在对某通道(如RF1)进行插入损耗测试的时候,如图3 ,在芯片进入工作状态后将RF1导通,已知由VST输出功率,即芯片在Ant端口的输入功率,测得RF1通道输出的功率,因此即可以得出插入损耗功率值即:

图3:使用VST进行插入损耗测试

使用功率计进行校准

在进行插损测试的时候对于线缆和其他元件(如在量产测试中加入的辅助开关)上的损耗需要进行校准,可以使用功率计来进行校准。我们可以将功率计连接至线缆与元件一端,通过VST的信号发生器输出信号,在各种频率下测得信号发生器以及线缆和其他元件的总损耗。

假设使用功率计进行的测量结果正确无误,就可以确定信号分析仪装置的测量偏移,即可对进行插损测试中使用的仪器进行校准。NI同样提供高精度的功率计,如需了解更多请访问ni.com。

使用VNA矢量网络分析仪进行测试

对于很多无源器件来说,使用VNA矢量网络分析仪是进行插入损耗的良好选择。PXI矢量网络分析仪具有两个端口,因此您可以选择T/R测试集或全S参数功能。PXI矢量网络分析仪支持自动精密校准、完整矢量分析和参考平面扩展,而且不像传统台式VNA那样具有高成本和大尺寸。

针对于插入损耗测试,即S21参数,可直接利用VNA实现S21的测量。需要注意的是在使用VNA的时候为了精确测量S参数,应考虑到外部所有的线缆及路径中所有的连接件,无论是使用短路-开路-负载-直通(SOLT)方法,还是使用VNA自带的校准套件,VNA需要进行系统校准。有关VNA校准的更多信息,请访问ni.com。

图4:使用VNA进行插入损耗测试

在量产测试中使用STS快速测量S参数

NI半导体测试系统(STS)是一款全自动化生产测试系统,采用全新的方法来测量生产测试中的S参数。该系统结合了端口模块(port Module)与NI矢量信号收发器(VST)。除了开关和预选功能之外,端口模块包含的定向耦合器可以有效地将VST转换成VNA。

因此,可以在生产测试环境下快速测量S参数,而不需要使用其他仪器。S参数测量使用多端口校准模块进行校准,该模块可以自动校准多达48个RF端口。有关NI STS的更多信息,请访问ni.com/semiconductor-test-system。

2、隔离度Isolation

隔离度是指的在待测端口检测到无用信号的衰减度。一个高隔离度的开关能够大幅度减少其他通道对其的影响,这样保证了信号的完整性。

使用NI VST矢量信号收发仪测试隔离度

对于隔离度的测试,与插入损耗测试方法相近,因此同样可以使用NI VST矢量信号收发仪。但是在测试系统设计上会再加入辅助开关来实现信号路由,如图Figure 2所示[1]

按照隔离度的定义,如针对RF1与RF2通道之间的隔离度,可将芯片进入工作状态后将RF1导通,即可测得芯片在Ant端口的输入功率,同时可以测得在RF2处的输出功率,因此即可计算处隔离度为:

使用VST及辅助开关进行隔离度测试

同样在针对于隔离度的测试上,线缆和辅助开关可以使用功率计来进行仪器校准,并以此来设置仪器的偏移。

使用NI PXI射频开关模块在量产测试中进行辅助开关设计

在之前提到的插入损耗和隔离度的量产测试中,射频开关芯片的多个通道之间测试进行切换而需要最大化复用仪器,因此我们使用辅助开关模块对测试系统进行设计。

NI射频开关模块

PXI射频多路开关模块是对于需要将仪器连接到DUT上进行高通道数自动化测试的理想选择,开关带宽最高达40GHz。PXI射频多路复用开关模块使用多种继电器类型,包括机电式电枢式、干簧管式、FET式和固态开关式,每一种继电器都有各自的优点,允许您选择符合您要求的多路复用器。

此外,NI开关模块提供了高级特性,如硬件触发、板载继电器使用计数跟踪,并可根据需求进行开关拓扑的修改。

3、驻波比VSWR

VSWR是反射波到入射波的比值,在射频开关芯片一些实验室验证测试中会进行这个项目的测试。在高频情况下,对于一个理想系统,传输能量为100%;当信号在不同的介质(如一些阻抗不匹配的元件)上传输时,如果能量未被全部吸收,反射就会发生。

在射频开关芯片中,这种不匹配可能是由于连接器上的阻抗不匹配等。VSWR是反射波功率的一种测量方法,它也可以用来测量传输线上的功率损耗。反射波与输入信号叠加形成驻波,反射引起相消干扰,沿着传输线在不同时间、距离产生电压波峰、波谷,因此VSWR被定义为最高电压与最低电压之比。

其中是输入端口的反射系数,即S11参数,可使用VNA或者前文提到的STS端口模块直接快速测量。

4、开关时间Switch Time

什么是开关时间?

开关时间(Switch Time)或切换时间指的是开关从“导通”状态转变为“截止”状态或者从“截止”状态转变为“导通”状态所需要的时间。具体来讲是指从DUT接收到通道切换命令,到在被切换到的通道上信号的功率达到满幅度值的90%的时间。

图7: 开关时间测试

实验室验证分析

针对于实验室的测试,根据通常会考虑使用高带宽高速示波器来进行测试。测试方法是在两个通道同时获取DUT控制信号和射频信号,并测量DUT控制信号的跳变沿和射频信号到达相应功率值时刻的时间差。

验证测试中示波器带宽对于开关时间测试的影响

对于示波器而言,最关心的一个指标就是带宽。带宽描述了从探针或测试夹具前端到ADC,输入信号幅值损失最小时,可以通过模拟前端的频率范围。带宽被定义为一个正弦波输入,通过示波器后测得其原始幅值70.7%的频率,也称为-3dB点。在大多数情况下,我们建议示波器的带宽是被测信号中最高频率分量的2到5倍,将捕获的信号幅度误差影响降低到最小(带宽要求=(2~5)*频率)。

对于射频开关的实验室开关时间验证测试,需要进行DUT控制信号与射频开关输出信号达到对应功率值时刻的时间差,因此对于两者而言,上升时间测量是其中的关键。

图8显示了一个500MHz范围测量高斯模型的阶跃响应。当阶跃相应的最高频率是4倍于仪器带宽时(红色曲线),我们看到的基本上仅是示波器的阶跃响应而不是输入信号的阶跃响应。因此在进行上升时间测量中有相当大的误差(416%)。被测信号与示波器(黄色曲线)具有相同带宽时,仍然会导致严重的误差(40%)。我们可以看到,在被测信号频率是示波器带宽的1/3(绿色曲线)时,上升时间测试结果将相对准确(仅4.4%)。所以一个很好的经验方法是选择一个至少是最高频率3倍的模拟带宽的示波器。

图8:500MHz带宽示波器对于不同阶跃响应的曲线

NI提供从400MHz到高达5GHz带宽、分辨率从8位到14位的多种示波器选择,满足不同应用下的测试任务。配合功能强大的交互式面板,实现实验室验证性测试进行界面友好的调试,并同时搭配多种语言支持的API,如LabVIEW,C,Python等,实现快速实验室的自动化测试开发。

利用PXI高精度同步机制实现高速量产测试

在实验室验证测试中使用高带宽示波器可进行快速的波形查看及上升时间计算,但是这个方法在量产测试中即使能够满足测试需求,但是面对量产中成本和测试时间上的要求,价格不菲的高带宽的示波器在系统成本上是一个巨大的开销;同时DUT的射频输出在系统连接线设计上,除了要接入射频仪器外,还需要额外将输出接入到示波器上,这样将增加了系统的复杂度。因此,在量产测试中,我们会考虑其他设计方法。

进行开关时间量产测试时,我们使用带PPMU功能的NI Digital Pattern基于向量的数字仪器PXIe-6570,并配合NI VST矢量信号收发仪进行系统设计。PXIe-6570包含具有触发和Pattern排序的深度板载内存。通过基于向量的Pattern,它可将芯片编程到已知状态。而最重要的是,基于PXIe总线的测试平台设计了高精度、低延时的定是同步机制,这样的指标对于两个模块之间同步触发的问题得到了很好的解决。

基于PXI的高精度同步触发

NI为PXI和PXI Express机箱提供了定时和同步解决方案。 最新的PXI Express对PXI平台进行了改革,在保留向后兼容的同时,针对测量I/O设备,提供了比PXI-1更强大的同步功能。 具体体现在:

· PXI Express保留了原始的PXI规范中的10 MHz背板时钟,以及单端PXI触发总线和长度匹配的PXI星形触发信号。

· PXI Express还在背板上增加了100 MHz差分时钟和差分星形触发,提供增强的抗噪音能力和业界领先的同步精度(分别为250 ps和500 ps的模块间延迟差)。NI定时和同步模块充分利用PXI和PXI Express机箱中的高级定时和触发技术优势。

图9:基于PXI的定时同步机制

在量产测试系统设计上,我们也充分利用了PXI平台触发总线的高准确度、低延时特性。如图10所示,基于向量的数字仪器PXIe-6570在给出控制命令的同时,产生一个事件触发脉冲,这个脉冲通过PXI总线传送到VST,触发VST开始采集射频信号。在系统中逐个检查射频信号采样值的幅度,比较可得到第一个幅度满足要求的采样点,并且由于射频信号采集的开始时刻就是开关切换的时刻,与满足要求采样点时间差乘以采样周期就可以得到切换时间 。

通过这样的方式将极大提升仪器的复用率,而不需要额外示波器进行测试,降低了测试成本,并且也减少了仪器间切换的时间,提升测试效率。

图10:基于向量的数字仪器及VST的开关时间测试

5、谐波Harmonic

谐波行为由非线性器件引起,会导致在比发射频率高数倍的频率下产生输出功率。由于许多无线标准对带外辐射进行了严格的规定,所以工程师会通过测量谐波来评估RF或FEM是否违反了这些辐射要求。

测量谐波功率的具体方法通常取决于RF的预期用途。对于通用RF等器件备来说,谐波测量需要使用连续波信号来激励DUT,并测量所生成的不同频率的谐波的功率。另外,测量谐波功率通常需要特别注意信号的带宽特性。

使用连续波激励测量谐波

使用连续波激励测量谐波需要使用信号发生器和信号分析仪。对于激励信号,需要使用信号发生器生成具有所需输出功率和频率的连续波。信号发生器生成激励信号后,信号分析仪在数倍于输入频率的频率下测量输出功率。常见的谐波测量有三次谐波和五次谐波,分别在3倍和5倍的激励频率下进行测量。

RF信号分析仪提供了多种测量方法来测量谐波的输出功率。一个直截了当的方法是将分析仪调至谐波的预期频率,并进行峰值搜索以找到谐波。例如,如果要测量生成1GHz信号时的三次谐波,则三次谐波的频率就是3GHz。

测量谐波功率的另一种方法是使用信号分析仪的零展频(zero span)模式在时域中进行测量。配置为零展频模式的信号分析仪可以有效地进行一系列功率带内测量,并将结果以时间的函数形式表现出来。在此模式下,可以在时域上测量选通窗口中不同频率的功率,并使用信号分析仪内置的取平均功能进行计算。

除此之外,在射频开关芯片的测试条件中一般规定了较大的输入功率,因此需要外加射频功率放大器将信号发生器的功率进行放大后给被测器件。

使用高功率模块及矢量信号收发仪VST进行量产测试

在量产测试中,信号分析仪相对较高,因此依然可以使用矢量信号收发仪搭配高功率模块来实现,最大化复用之前测试项所使用的仪器。

VST生成的单音射频信号,经NI的高功率模块(NI 5534)放大,输出功率可达38dBm,放大后的信号经低通滤波达到被测器件,被测器件的输出信号滤除主频成分后,剩下的谐波成分通过辅助开关送入NI高功率模块(NI 5534)的接收路径,经衰减后送入VST。

6、互调失真IMD

互调失真理论

为了理解IMD,我们需要回顾一下非线性系统的多音信号理论。虽然单音激励信号会在该信号频率的每个倍数处产生谐波行为,但是多音信号产生的非线性产物需要在更宽的频率范围才会出现。

如图11所示,DUT输出端的二阶失真产物出现在输入信号频率每个倍数的频率处。f2 - f1, 2f1, f1 + f2,和2f2处产生的失真产物包含每个输入音的二次谐波以及两个输入音频率相加和相减频率处的失真产物。

图11:IMD理论

三阶失真描述的是一阶基音信号和每个二阶失真产物之间的相互作用。事实上,通过数学计算,可以看到两个特定的三阶失真出现在接近基音频率的频率下。以一个实际应用为例,当DUT发送调制信号时,三阶失真作为带内失真出现在邻近感兴趣频带的地方。

IMD测量描述的是基音和相邻三阶失真之间的功率差的比率,用dB表示。IMD测量的一个重要特征是一阶和三阶失真之间的功率比完全取决于每个音的绝对功率电平。

在许多器件的线性工作区域中,一阶音和三阶失真产物的比率常常很高。然而,随着基音输入功率的增加,三阶失真产物也随之增加。实际上,基音的功率每增加1 dB,互调失真产物会增加3 dB。

理论上,由于三阶失真产物功率的增加速度会比基音功率增加的速度更快,所以两种类型的信号在功率电平上最终相等,如图18所示。从理论上来讲,基音和三阶失真产物功率相等的点为截断点,这个点也称为三阶截点(TOI或IP3)。

使用PXI信号分析仪测量IMD和TOI

互调失真(IMD)和三阶截点(TOI)是NI-RFSA软件前面板(SFP)的内置测量功能。进行这些测量时,可以将信号分析仪的频率设置为以两个基音为中心频率,以确保可以看见高于本地噪声的三阶失真产物。在NI-RFSA SFP上选择检测音,生成测量结果。NI-RFSA SFP会自动识别基音的功率差以及三阶失真产物的功率差,并显示正确的测量结果。有关PXI RF信号分析仪的更多信息,请访问ni.com/rf/test。

图12: 基音信号功率每增加1 dB,三阶失真产物功率增加3 dB

实际上,IP3/TOI是计算所得而非测量所得的结果。一阶产物和三阶产物之间的功率增加比是3:1,利用以下公式可以计算出IP3。

TOI是衡量射频前端性能的重要指标,因为IMD比率取决于功率电平。TOI的测量将IMD性能的要素与绝对功率电平相结合,并通过一个数字来表示性能。

IMD测量配置

根据IMD测量理论,执行该测量需要双音激励信号。在大多数应用中,配置双音激励信号的首选方法是将RF信号发生器连接至RF功率组合器,如图13 所示。

图13:IMD测量需要连接至功率组合器的两个信号产生器

由于IMD是一种常见的测量方式,许多RF信号分析仪具有内置测量功能来测量IMD或IMD/TOI。事实上,NI-RFSA SFP可以自动检测基音和三阶失真产物,并计算出IMD比。

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