基于外圍設(shè)備互連總線在儀器領(lǐng)域的功能擴(kuò)充系統(tǒng)的低成本射頻放大器芯片測(cè)試方案與實(shí)現(xiàn)

摘要： 方案采用外圍設(shè)備互連總線在儀器領(lǐng)域的功能擴(kuò)充（PXI）射頻RF模塊搭建成一套射頻并行測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一款采用融合架構(gòu)的集成化射頻放大器芯片的最終測(cè)試，解決了測(cè)試成本高，測(cè)試不穩(wěn)定等問(wèn)題；同時(shí)提出了一些射頻測(cè)試的方法用來(lái)加快測(cè)試效率.最終測(cè)試結(jié)果表明，該方案的測(cè)量結(jié)果與測(cè)量要求一致，同時(shí)又降低了測(cè)試成本，具有一定的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：

外圍設(shè)備互連總線在儀器領(lǐng)域的功能擴(kuò)充； 射頻放大器； 自動(dòng)化測(cè)試； 并行測(cè)試； 最終測(cè)試； 自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備

中圖分類號(hào)： TN 407文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10005137（2018）02019807

The development and implementation of low cost radio frequency

amplifier chip test solution based on PXI system

Yang Zhen1，2

（1.School of Information Science and Technology，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China；

2.Wireless Test and Measurement Department，Cobham Wireless Technology Shanghai Co.， Ltd.，Shanghai 200021，China）

Abstract：

This solution is to build a set of radio frequency （RF） parallel test system with PCI extension for instrument （PXI） RF module，and realize the final test of fusion architectural and integrated RF amplifier chip.It can solve the high cost and instability of test at the same time.It also put forward some RF test methods to increase the test efficiency.The results show that the measurement results of the solution are consistent with the measurement requirement，meanwhile the solution reduces the testing cost and has certain application prospect and practical value.

Key words：

PCI extension for instrument； radio frequency amplifier； automatic test；parallel test； final test； automatic test equipment

收稿日期： 20180130

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金（N61571135）

作者簡(jiǎn)介： 楊禎（1989-），男，工程師，主要從事電源管理、存儲(chǔ)器、射頻器件方面的研究.Email：skgallen@foxmail.com

引用格式： 楊禎.基于外圍設(shè)備互連總線在儀器領(lǐng)域的功能擴(kuò)充系統(tǒng)的低成本射頻放大器芯片測(cè)試方案與實(shí)現(xiàn) [J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，47（2）：198-204.

Citation format： Yang Z.The development and implementation of low cost radio frequency amplifier chip test solution based on PXI system [J].Journal of Shanghai Normal University （Natural Sciences），2018，47（2）：198-204.

射頻功率放大器是無(wú)線通訊系統(tǒng)發(fā)射端最關(guān)鍵的部件之一，由于通訊芯片的發(fā)射級(jí)電路出來(lái)的射頻信號(hào)功率非常小，必須加入射頻放大器才能使信號(hào)反饋到天線上輻射出去[1].大部分射頻放大器芯片都支持多種調(diào)制模式、工作頻率和工作模式，導(dǎo)致射頻測(cè)試非常復(fù)雜，因此對(duì)于射頻芯片的測(cè)試非常必要.另外，射頻類芯片測(cè)試成本越低，帶來(lái)的效益也越大[2].本文作者基于外圍設(shè)備互連總線在儀器領(lǐng)域的功能擴(kuò)充 （PXI）板卡結(jié)合自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備 （ATE），實(shí)現(xiàn)一種多顆射頻芯片并行測(cè)試的方案，解決了測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試設(shè)備費(fèi)用高等問(wèn)題.

1芯片測(cè)試情況說(shuō)明及測(cè)試要求

1.1待測(cè)芯片介紹

圖1是待測(cè)芯片的基本工作結(jié)構(gòu)，該芯片由兩顆不同頻率的射頻功率放大器單元（PA），一顆射頻開(kāi)關(guān)器單元（SP8T）和一顆CMOS控制器單元組成.其中工作頻率為825～2 025 MHz，支持Global System for Mobile（GSM）系統(tǒng)、Digital Communication系統(tǒng)（DCS），Personal Communication系統(tǒng)（PCS），Time DivisionSynchronous Code Division Multiple Access（TDSCDMA）系統(tǒng)，Long Term Evolution（LTE）系統(tǒng).由于采用融合架構(gòu)，待測(cè)芯片有巨大的尺寸和成本優(yōu)勢(shì)，可以被廣泛用于智能手機(jī)、智能手表、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等需要無(wú)線通訊的設(shè)備中.為了減小芯片尺寸，采用晶圓級(jí)晶片尺寸封裝.該芯片一共有16根管腳，其中TX_HB_IN和TX_LB_IN為輸入管腳，ANT為輸出管腳，VCC和VBATT為電源管腳，BS2/BS1/VRAMP/VMODE/TXEN為輸出管腳，TRX1到TRX6為開(kāi)關(guān)管腳，如圖2所示.

圖2芯片封裝管腳圖

1.2芯片測(cè)試方案選擇

從方案價(jià)格方面考慮，能提供PXI模塊[3]的廠家很多，數(shù)字測(cè)量部分只需ATE的基本功能即可.軟件方面，NI LABVIEW，NI TestStand，MicrosoftVS2010等均可在其平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)功能，非常靈活[4-5].另外，PXI模塊測(cè)量精度高，速度快，其自帶專用射頻測(cè)量算法比通用ATE的測(cè)量模式更先進(jìn).綜合考慮，最終選擇基于PXI測(cè)試方案作為量產(chǎn)方案.

2射頻硬件方案開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1射頻測(cè)量部分測(cè)試硬件介紹

本方案的射頻測(cè)量部分采用PXI射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊3026、PXI射頻信號(hào)采集模塊3035、PXI射頻信號(hào)切換模塊DRPM、PXI射頻信號(hào)分離模塊和PXI射頻多路開(kāi)關(guān)模塊2544.為了節(jié)約成本，本方案選用兩個(gè)工位并行的測(cè)試架構(gòu).其架構(gòu)思路是先由射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊發(fā)射一個(gè)放大信號(hào)，然后通過(guò)射頻信號(hào)分離模塊把信號(hào)分隔成兩路，并衰減成需要的信號(hào)進(jìn)入芯片的輸入端，接著芯片從輸出端發(fā)送一個(gè)放大的信號(hào)，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)模塊后，進(jìn)入射頻采集模塊，如圖3所示.

硬件測(cè)量方面，由于射頻采集模塊一次只能采集一路信號(hào)，兩個(gè)工位同時(shí)測(cè)試時(shí)，只能用射頻開(kāi)關(guān)控制切換測(cè)量，所以這個(gè)部分是串行工作的.另外，這里需要測(cè)量諧波，所以在芯片輸出端之前加入一個(gè)濾波盒，濾去多余波.

測(cè)試負(fù)載板方面，因?yàn)門(mén)Rx1到TRx6端口太多，負(fù)載板上需增加一個(gè)射頻切換器，減小系統(tǒng)復(fù)雜度.負(fù)載板設(shè)計(jì)方面，需要對(duì)于射頻地和數(shù)字地分開(kāi)處理，減小干擾.

2.2數(shù)字測(cè)量部分測(cè)試硬件介紹

本方案的數(shù)字部分采用ATE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，ATE連接PXI板卡示意圖如圖4所示.PXI射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊3026的觸發(fā)口連接ATE控制板卡的端口PFI0，PXI射頻信號(hào)采集模塊3035連接ATE控制板卡的一個(gè)端口PFI1，最后通過(guò)ATE的輸出向量控制PXI模塊[6].待測(cè)芯片與ATE供電板卡的連接示意圖如圖5所示.圖5中J5，J3為ATE的測(cè)試負(fù)載板供電通道.如圖6所示，待測(cè)芯片與ATE數(shù)字測(cè)量板卡連接示意圖.圖中J9為ATE的測(cè)試負(fù)載板的數(shù)字通道，其中VC1/VC2/VC3是測(cè)試負(fù)載板上一個(gè)射頻切換器的控制通道.

2.3射頻系統(tǒng)的校準(zhǔn)

在射頻系統(tǒng)中硬件都存在微小的信號(hào)損耗，這些損耗會(huì)導(dǎo)致射頻測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以在測(cè)試前需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).首先，把PXI射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊和PXI射頻信號(hào)采集模塊用連接器相連，PXI射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊提供一個(gè)固定功率給采集模塊，計(jì)算實(shí)際采集值與發(fā)射功率之差作為系統(tǒng)內(nèi)部損耗.接著用功率計(jì)（測(cè)量射頻功率的專用儀器）連接射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊，信號(hào)產(chǎn)生模塊發(fā)射一個(gè)固定功率，功率計(jì)采集值和信號(hào)產(chǎn)生模塊發(fā)射功率值之差作為通路導(dǎo)線和元器件損耗[7].然后分別把測(cè)試評(píng)估板和量產(chǎn)測(cè)試板放入測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量，所得到的測(cè)量值之差就是量產(chǎn)測(cè)試板中測(cè)試蓋帶來(lái)的損耗.最后分別記錄這些損耗值，以便后續(xù)測(cè)量項(xiàng)中進(jìn)行損耗補(bǔ)償.

3射頻測(cè)試方法介紹

3.1射頻諧波測(cè)試方法

本方案的射頻測(cè)試需要測(cè)試二次諧波和三次諧波.如圖4所示，測(cè)量項(xiàng)目的線路是經(jīng)過(guò)濾波器的ANT端到2544的ch0口，這部分內(nèi)部沒(méi)有濾波單位直連通路.當(dāng)需要測(cè)量二次諧波時(shí)候，芯片輸出信號(hào)

的線路經(jīng)過(guò)濾波器的HB端（濾去基波） 到2544的ch2口，最終測(cè)量的功率為二次諧波功率.當(dāng)需要測(cè)量三次諧波時(shí)候，芯片輸出信號(hào)的線路是經(jīng)過(guò)濾波器的LB端（濾去基波和二次諧波）到2544的ch1口，最終測(cè)量的功率為三次諧波功率.

3.2最大飽和功率和增益測(cè)試方法

射頻測(cè)試中的飽和輸出功率指的是當(dāng)射頻放大器輸出功率隨輸入功率增加到非線性工作區(qū)時(shí)，輸

出功率不再線性增加情況下的功率，它是衡量射頻放大器性能的一個(gè)重要指標(biāo)[8].在高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）模式下，只需提供固定的輸入功率Pin，然后用射頻采集模塊測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出功率Pout.在其他模式下，需要提供一個(gè)參考輸出功率，信號(hào)源從最低輸入功率開(kāi)始進(jìn)行掃描測(cè)試輸出功率，再與參考功率進(jìn)行比較，得到飽和功率.其通常步驟是：

1）根據(jù)工作模式和待測(cè)輸出波形，提供一個(gè)參考輸出功率Pref.

2）輸入Pin，射頻測(cè)量出對(duì)應(yīng)的Pout，并與Pref比較.當(dāng)Pout-Pref< 0.1 dB，Pout即為最大飽和功率.反之，在原輸入功率基礎(chǔ)上增加一個(gè)固定步進(jìn)s=0.1 dB，依次循環(huán)，直到求出飽和功率.

上述算法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試的精度高，缺點(diǎn)是固定的步進(jìn)掃描會(huì)導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間變長(zhǎng).為了減少測(cè)試時(shí)間，本方案采用非固定的步進(jìn)算法，其步驟是：

1）當(dāng)Pout-Pref>3 dB時(shí)，設(shè)置s=1 dB；當(dāng)Pout-Pref<1 dB時(shí)候，設(shè)置s=0.1 dB；當(dāng)1 dB≤Pout-Pref≤3 dB時(shí)，設(shè)置s=0.5 dB；

2）依次循環(huán)，測(cè)出最大飽和功率.

最終得到最大飽和功率和輸入功率之差就是增益Gain.

3.3功率附加效率測(cè)試方法

功率附加效率指的是射頻放大器工作時(shí)候輸入功率到輸出功率的損耗功率[9].在本方案中，其計(jì)算公式為：

PAE=（Pout-Pin）/Pdc=（Pout-Pin）/（Udc×Idc），（1）

其中，Pdc為工作功率，Udc為工作電壓，Idc為電流.

3.4插入損耗測(cè)試方法

插入損耗指的是信號(hào)在傳輸過(guò)程中通過(guò)器件產(chǎn)生的損耗.在本方案中插入損耗主要測(cè)量功率放大器發(fā)射端到射頻切換器單元之間通路的損耗，其計(jì)算公式如下：

IL=-10lg（Pout/Pin）.（2）

由于測(cè)試系統(tǒng)中有損耗誤差，所以實(shí)際的插入損耗應(yīng)該減去系統(tǒng)的損耗值[10].

3.5漏電流測(cè)試方法

漏電流測(cè)試指的是在芯片不工作或者結(jié)束工作的情況下，測(cè)量其管腳的電流值.因?yàn)樯漕l放大器芯片主要運(yùn)用于移動(dòng)設(shè)備中，對(duì)功耗非常敏感，一般產(chǎn)生的功耗越小越好，所以測(cè)試漏電流是必要的.在本方案中主要用ATE數(shù)字板卡測(cè)試管腳的漏電流，為了保證對(duì)功耗進(jìn)行控制，在芯片工作開(kāi)始前和芯片工作結(jié)束后需要分別測(cè)量一次漏電流.

3.6測(cè)試數(shù)據(jù)分析

表1為部分關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目的原始測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果均在芯片標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，符合測(cè)試要求.由于射頻測(cè)試板和測(cè)試蓋都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，所有最后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償就可以得到最終準(zhǔn)確數(shù)據(jù).最終單個(gè)工位的測(cè)試時(shí)間為465.8 ms，兩個(gè)工位并行的測(cè)試時(shí)間為538.6 ms，結(jié)果表明系統(tǒng)可以正常工作且測(cè)試所花費(fèi)時(shí)間較少.

4總結(jié)

針對(duì)目前多模射頻功率放大器測(cè)試成本高，測(cè)試復(fù)雜度高等問(wèn)題，提出一種基于PXI的低成本自動(dòng)化測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)多顆芯片的并行測(cè)試.該方案在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了優(yōu)化處理；在硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了專用測(cè)試硬件.經(jīng)測(cè)試表明，該方案降低了測(cè)試的費(fèi)用，提高了測(cè)試效率，系統(tǒng)架構(gòu)的可移植性高，具有一定的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]Shalini T S，Sathisha R N.Design and simulation of hybrid circuits for RF power amplifiers used in LTE base stations [C].Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics，Information & Communication Technology.Bangalore：IEEE，2017.

[2]Whatmough P N，Minnis B J，Moore P A.Measuring system efficiency in multimode PA modules for mobile phones [C].Proceedings of 2008 European Conference on Wireless Technology.Amsterdam：IEEE，2008.

[3]Howard A，Haltiner E.Advancing ATE systems with PXI based poweroff diagnostic instrument technology [C].Proceedings of 2005 IEEE Autotestcon.Orlando：IEEE，2005.

[4]Bean E.Virtual machines and automated test equipment [C].Proceedings of 2016 IEEE Autotestconauto.Anaheim：IEEE，2016.

[5]C'atic V D，Lukic' N M，Salom I M，et al.An automated environment for hardware testing using PXI instrumentation and LabVIEW software [C].Proceedings of the 24th Telecommunications Forum.Belgrade：IEEE，2016.

[6]Dewey M J.Addressing legacy ATE system requirements with PXI [C].Proceedings of 2014 IEEE Autotestcon.St Louis：IEEE，2014.

[7]Leung M.Wideband streaming signal analysis in PXI system [C].Proceedings of 2011 IET International Communication Conference on Wireless Mobile and Computing.Shanghai：IEEE，2011.

[8]Fares A，Khachan A，Kasbah A B，et al.GSM RF equipment testing and performance analysis [C].Proceedings of 2004 IEEE International Symposium on Communications and Information Technology.Sapporo：IEEE，2004.

[9]Ziomek C D，Robinson D C.Testing commercial & military RF systems with PXI instrumentation modules [C].Proceedings of 2003 AUTOTESTCON IEEE Systems Readiness Technology Conference.Anaheim：IEEE，2003.

[10]Malik W A，Sheta A A，Elshafiey I.Development of efficient high power amplifier with more than an octave bandwidth [J].IEEE Access，2018，6：6602-6609.

（責(zé)任編輯：包震宇，郁慧）