R&S 寬頻調變負載拉伸：使用示波器精準分析射頻前端效能
- Sonya Chan
- 9月14日
- 讀畢需時 5 分鐘
想要真正了解射頻（RF）前端的效能，就必須使用接近真實部署情境的寬頻調變訊號來進行測試，然而，當阻抗發生變化時，射頻放大器的行為也會跟著改變，特別是當放大器驅動寬頻天線這類負載時，其行為幾乎無法透過計算或模型來預測。
在許多通訊系統中，射頻前端與放大器都需要將寬頻調變訊號驅動到天線系統中，由於這些前端元件需要在橫跨多個傳輸頻段的寬廣頻率範圍內運作，它們所面對的負載阻抗也不斷在變化，這種會隨頻率變化的「色散負載」，會對放大器的增益和失真產生顯著影響。
面臨的測試挑戰
射頻功率放大器工程師的目標，是在其目標應用中實現最佳的元件效能，雖然大多數射頻系統名義上是 50 Ω 系統，但射頻前端實際面對的阻抗卻可能相差甚遠，天線在寬廣的頻率範圍內，會對放大器呈現出各種不同的負載，這使得放大器所面對的阻抗可能在 20 Ω 以下到 100 Ω 以上之間劇烈變動。
不幸的是，沒有任何模型能夠準確預測在這些條件下的增益、效率或失真行為，也無法透過如錯誤向量幅度 (EVM, Error Vector Magnitude) 或相鄰通道洩漏比 (ACLR, Adjacent Channel Leakage Ratio) 等關鍵效能指標（KPI）來驗證，因此，想知道射頻前端能否應對色散負載，唯一的方法就是實際進行測試。
測試解決方案
針對寬頻調變負載拉伸，Rohde & Schwarz 提出了一種獨特的解決方案，傳統的負載拉伸系統，通常使用向量網路分析儀 (VNA, Vector Network Analyzer) 搭配機械式調諧器，來建構一個被動式負載拉伸系統，藉此對電晶體呈現不同的阻抗。
在我們的方案中，VNA 被向量訊號產生器與向量訊號分析儀所取代，以便支援各種調變訊號，並在不同的負載條件下進行調變測試評估，系統中使用調諧器在待測物的輸出端產生所需的阻抗。
這種方法在窄頻訊號上已經被使用並驗證了多年，但隨著訊號頻寬增加，調諧器固有的頻率響應和群組延遲會影響量測的準確性，因此需要一種不同的方法。
Rohde & Schwarz 開發的解決方案，採用了主動式負載拉伸系統的概念，它不是透過機械式調諧器，而是在待測物 (DUT, Device Under Test) 輸出端，透過主動注入訊號的方式來產生所需的阻抗。這個概念如下圖「寬頻調變負載拉伸設置」所示。
此解決方案使用一台具備四個埠的 R&S®RTP 示波器，來量測 DUT 輸入和輸出端的正向波與反向波，R&S®RTP 示波器具備時間與相位同步功能，以及高記錄頻寬；R&S®SMW200A 向量訊號產生器則提供輸入至 DUT 的測試訊號，以及用於產生所需阻抗的調諧訊號；要確保這兩個訊號之間具有穩定且使用者可控的時序與相位條件，是至關重要的；R&S®RTP-K98 調變負載拉伸軟體負責控制整套設置，並引導使用者完成校準與量測，透過在 DUT 輸入與輸出端使用 Marki Microwave CD10-0106 雙定向耦合器，我們獲得了良好的測試結果。
對於功率較高的 DUT 或需要更寬調諧範圍的情況，可以加入一台如 R&S®SAM100 系統放大器的放大器來增強調諧訊號；為了避免放大器或訊號產生器產生不必要的負載拉伸效應，可以增加一個或多個循環器 (circulators) 來進行解耦合。
訊號頻寬與所涵蓋的頻率範圍，僅受儀器配置的限制。此方案最高可支援 2 GHz 的訊號頻寬，足以涵蓋主要的通訊系統，而最高達 8 GHz 的頻率，則表示行動通訊的 FR1 頻段（最高至 7.125 GHz）與 Wi-Fi 應用皆在涵蓋範圍內。
最大輸出功率、增益、EVM 或 ACLR 等指標，可以直接透過取樣到的 b2 波形進行量測，如果 DUT 的效能非常高，可以將 b2 訊號分路，並使用一台訊號與頻譜分析儀，例如具備增強動態範圍與出色 EVM 量測能力的 R&S®FSVA3000。
應用
與任何類似的網路分析儀量測一樣，系統級的校準是準確且可靠地在史密斯圖 (Smith chart) 上調諧至某一點的必要步驟，系統中所有的配件，包括放大器和循環器，都必須在校準過程中存在，以納入它們的影響；R&S®RTP-K98 軟體會透過視覺化顯示引導整個校準流程，清楚呈現每一個步驟。校準遵循一個兩步驟的程序：首先在 DUT 輸入平面上進行開路、短路與匹配（OSM）校準，然後透過一個已知的直通件（through）將校準平面轉移至輸出端。
為了獲得更高的準確度，調諧訊號應不同於輸入訊號，這聽起來可能有點矛盾，但解釋起來很簡單：射頻前端會對訊號增加失真，因此輸出訊號 b2 會不同於輸入訊號 a1，為了確保準確性，調諧訊號 a2 需要與 b2 相同；因此，在開始對不同阻抗點進行調諧之前，應用程式會先針對每個頻率和功率點記錄 DUT 的輸出訊號 b2，並將這個包含了 DUT 在特定情境下所增加的獨特失真的訊號，作為調諧訊號 a2 使用。
R&S®RTP-K98 應用軟體提供單一阻抗點的調諧功能，可用於單點檢查，或者在由外部使用者程式控制時，進行逐步的測試，使用者可以建立一個掃描計畫，對多個頻率和功率下的不同阻抗進行序列量測，以繪製出元件 KPI（如增益、最大輸出功率或 EVM）的等高線圖 (contour plots)；由於改變阻抗僅僅是改變向量訊號產生器中兩個通道之間的振幅與相位關係，因此調諧速度非常快。
自動產生的測試報告包含了所有結果，此外，所有測試資料都可以匯編成易於存取的格式（例如 CSV），以利後續處理。
透過將帶有直接 DPD (數位預失真, Digital Predistortion) 流程的 R&S®VSE-K18 放大器量測軟體與 R&S®RTP 示波器整合，即可實現 DPD 功能，使用者也可以使用客製化的預失真訊號並進行外部評估，來實現任何自定義的 DPD。
此解決方案還包含一個強大的擴充功能，有助於去嵌入 (de-embed) 色散阻抗，以獲得更高的真實性，並開創了潛在的新應用，天線的阻抗高度依賴於頻率，當訊號頻寬達到 100 MHz 或更高時，即使在頻帶內，這種變化也無法再被忽略；該解決方案可以使用描述天線行為的 S1P 檔案，來提供一個包含頻率變化的真實情境，也可以去嵌入兩個 S2P 檔案，來重現匹配網路或帶通濾波器的效果；透過為不同的匹配網路使用不同的 S2P 檔案，可以輕鬆地優化匹配網路的影響，並將其設計應用於模擬環境中以獲得 S2P 表示，甚至可以將調諧器的資料作為 S2P 檔案載入 R&S®RTP-K98 軟體中進行去嵌，來組建混合系統。
最後，這個以示波器為基礎的解決方案，可以搭配第二台 R&S®SMW200A 來實現封包追蹤 (envelope tracking) 的匹配，並提供有關 DUT 響應的真實時域資訊。
總結
這個使用標準實驗室儀器的寬頻調變負載拉伸解決方案，是一個用於精確阻抗調諧的快速、多功能且具成本效益的方案。儀器的靈活性使其能夠廣泛地涵蓋各種訊號與應用。
