一种功率放大器测试系统的制作方法

本发明涉及功率放大器测试，具体涉及一种功率放大器测试系统。

背景技术：

1、射频微波功率放大器是射频发射机的核心元器件，其成本占据整个发射机的60％以上，在智能手机、通信基站、物联网设备和雷达等各类应中得到了广泛的应用。而射频微波功率放大器在出厂前，都需要进行测试，来确保其性能参数符合要求。

2、对于射频微波功率放大器的射频微波测试系统，其定制化程度非常高，通常需要针对某一款产品进行量身定制仪表驱动开发、硬件触发同步、数据采集和后期数据处理等模块，另外如果同时涉及到小信号和大信号的测量还需要有多套系统，这无疑大大增加了放大器的研发成本。

3、对于射频微波功率放大器的测试过程，当其在设计阶段时，需要经历有源和无源器件的器件建模和提参，这些会涉及到小信号s参数测试；当其在后期的功率特性评估阶段时，会涉及到连续波或者脉冲甚至是调制信号的大信号负载牵引测试、五十欧姆功率测试和线性度测试，而这些测试会用到网络分析仪、矢量信号源、频谱分析仪、功率计以及探针台等设备，其中网络分析仪一般来说需要多台，经常会需要反复断开，重新连接搭建系统、校准和验证。

4、在上述测试中，小信号和大信号在某种程度上是需要互补交叉地进行，极端情况下器件在大信号测试过程中如果出现烧毁则还需要返回小信号测试系统从头开始，测试繁琐费时，需要保证大部分的设备要组合起来完成一次测试同时还要校准确保测量准确。而且通常情况下放大器测试往往需要多台套系统同时运行，这样大大增加了研发周期和人力成本。

5、对于小信号测试，其主要特征是放大器工作在线性区，且更关注在某些静态偏置点下的增益、工作带宽和稳定性。另外测试过程中的状态激励信号的摆幅非常小，使得其总是处于功率放大器的线性区，功放输出频谱仅仅包含激励频率成分本身，没有谐波失真。如图1所示，常见的射频小信号测试主要由网络分析仪完成，小信号通常使用网络分析仪内置耦合器即可，属于双向测试，也就是说网络分析仪的源会分别切换到放大器的输入端口，同时将输出端口端接50欧姆负载进行正向测试，然后反过来将源切换到输出端，输入端端接50欧姆负载进行反向测试，从而得到完整的s参数，所有的切换都是网络分析仪自动完成，另外，小信号测试的信号源设定需要非常小，远低于放大器的p1db工作点，通常至少在-15dbm以下。小信号测试通常搭配直流电源在扫描iv曲线特性的每个偏置点时同时进行，它是功率放大器建模的重要测试手段，通过信号测量可以对器件的增益(s21)、回波损耗(s11，s22)、反向隔离(s12)以及稳定性、ft(特征频率)/fmax(最高震荡频率)等进行测试，这样可以得到放大器基本的特性并进行部分模型参数的提取。

6、对于大信号测试，传统的大信号测试对于未匹配的放大器来说通常指的是非50欧姆的负载牵引测试，由于晶圆上的晶粒(die)在射频范围的输入输出阻抗通常并不是50欧姆，而实际应用中呈现给放大器的源阻抗和负载阻抗，通常为统一的50欧姆，如果直接用50欧姆仪表进行测量则会产生阻抗失配，阻抗差异越大失配越严重，因此需要对其外部的源阻抗和负载阻抗进行阻抗组合调谐，因此一方面大信号测试需要使用阻抗调配器对被测件进行匹配，另外一方面还需要从小到大扫描激励信号一直到放大器进入深度压缩，表征出器件在大信号工作状态的非线性特性，因此两方面结合起来对放大器进行阻抗和激励功率的遍历，才能得到放大器的极限性能。

7、现有基于网络分析仪的大信号测试系统的配置图如图2所示，其中大信号测试是属于单向测试，也就是信号源激励信号只会测试放大器正向放大的功率特性，如图2所示激励信号从信号源出发一直通过外置放大器、源阻抗调配器和输入双定向耦合器进入到被测放大器放大输出到输出双定向耦合器再经过负载阻抗调谐器最终被负载吸收。大信号测试系统的校准涉及到非五十欧姆的校准和去嵌入，所以系统搭建及校准步骤会较为复杂。

8、结合上述内容，现有的功率放大器测试系统在实际使用时存在以下不足：

9、首先测试严重依赖网络分析仪，而网络分析仪本身价格昂贵，如果是测量大信号，网络分析仪还需要配备可配置的测试底座以及接收机直接接入功能，普通的网络分析仪无法满足要求，这样成本会大幅度提高；

10、其次系统搭建和校准复杂。传统的大测试系统，无论是标量还是矢量测试，为了保证测量的准确性，接收机前外置衰减或者是功率计端口前的衰减需要精确计算，计算有偏差一则会导致测量动态范围不够或者测量仪表进入压缩状态，二则会导致反复的校准，非常耗费时间，同时对于在片测试会减少探针和校准基片的使用寿命，反复的重复性操作也会导致人员注意力下降导致操作不当仪表损坏；

11、最后单套测试系统的功能单一，大小信号测试频繁切换，而每次切换会导致接收机路径的物理连接发生了变化，因此需要重新进行小信号或者大信号的全流程校准，如果这个过程因人工引起校准过程出错或者误操作，会导致结果大相径庭或者硬件损坏。

技术实现思路

1、鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种功率放大器测试系统，所要解决的技术问题是目前功率放大器在测试时存在大小信号测试系统切换和系统搭建校准耗时，测试效率低，而且单套系统测试功能单一的问题。

2、为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种功率放大器测试系统，包括大信号输入支路、小信号射频信号源、输入切换开关、输入双定向耦合器、输出双定向耦合器、本振、输出切换开关、负载阻抗调配器、负载、射频信号源开关、四路接收支路和运算处理装置；每路接收支路包括依次电连接的adc、混频器和衰减器，所述运算处理装置分别与四路接收支路的adc电连接，接收adc输出的数据；

3、所述大信号输入支路与所述输入切换开关的第一连接端电连接，用于提供测试用的大信号；所述输入切换开关的公共端与所述输入双定向耦合器的第一直通连接端电连接，所述输入双定向耦合器的第二直通连接端和输出双定向耦合器的第一直通连接端均用于与被测功率放大器电连接；所述输出双定向耦合器的第二直通连接端与输出切换开关的公共端电连接；所述输出切换开关的第一连接端通过所述负载阻抗调配器与所述负载电连接；

4、所述输入双定向耦合器的两个耦合连接端和输出双定向耦合器的两个耦合连接端分别与四路接收支路的衰减器电连接；所述本振分别为四路接收支路的混频器提供本振射频信号；

5、所述输入切换开关的第二连接端和输出切换开关的第二连接端与射频信号源开关的第一连接端和第二连接端电连接；所述射频信号源开关的公共端与小信号射频信号源电连接，所述小信号射频信号源用于提供测试用的小信号。

6、在某种实施方式中，所述大信号输入支路包括大信号射频信号源、功率放大器、环形器和源阻抗调配器，所述大信号射频信号源、功率放大器、环形器和源阻抗调配器依次电连接，所述源阻抗调配器输出所述大信号。

7、在某种实施方式中，四路接收支路中的衰减器均为步进衰减器。

8、在某种实施方式中，所述输入切换开关为单刀双掷开关。

9、在某种实施方式中，所述输出切换开关为单刀双掷开关。

10、在某种实施方式中，所述射频信号源开关为单刀双掷开关。

11、在某种实施方式中，在进行大信号测试时，所述输入切换开关的第一连接端与输入切换开关的公共端连通，所述输出切换开关的公共端与输出切换开关的第一连接端电连接。

12、在某种实施方式中，在进行小信号测试时，所述输入切换开关的公共端与输入切换开关的第二连接端电连接，所述输出切换开关的公共端与输出切换开关的第二连接端电连接，所述射频信号源开关的公共端与射频信号源开关的第一连接端和第二连接端切换连接导通。

13、在某种实施方式中，所述本振射频信号的频率与被测功率放大器输出的射频信号的频率差值在10mhz至20mhz之间。

14、在某种实施方式中，在对所述功率放大器测试前，对所述测试系统进行校准，所述校准包括输入端口单端口校准、输出端口单端口校准、输入输出直通校准和绝对功率校准；

15、在进行输入端口单端口校准时，依次将开路校准标准件、短路校准标准件和负载校准标准件接入到输入双定向耦合器的第二直通连接端，将输入切换开关的公共端与输入切换开关的第二连接端导通，将输出切换开关的公共端与输出切换开关的第二连接端电连接，将射频信号源开关的公共端与射频信号源开关的第一连接端电连接；

16、在进行输出端口单端口校准时，依次将开路校准标准件、短路校准标准件和负载校准标准件接入到输出双定向耦合器的第一直通连接端，将输入切换开关的公共端与输入切换开关的第二连接端导通，将输出切换开关的公共端与输出切换开关的第二连接端电连接，将射频信号源开关的公共端与射频信号源开关的第二连接端电连接；

17、在进行输入输出直通校准时，将双端口直通校准标准件接入输入双定向耦合器的第二直通连接端和输出双定向耦合器的第一直通连接端之间，将输入切换开关的公共端与输入切换开关的第二连接端导通，将输出切换开关的公共端与输出切换开关的第二连接端电连接，将射频信号源开关的公共端与射频信号源开关的第二连接端电连接；

18、在进行绝对功率校准时，将功率计接到输入双定向耦合器的第二直通连接端，将输入切换开关的公共端与输入切换开关的第二连接端导通，将射频信号源开关的公共端与射频信号源开关的第一连接端电连接；或者将功率计接到输出双定向耦合器的第一直通连接端，将输出切换开关的公共端与输出切换开关的第二连接端导通，将射频信号源开关的公共端与射频信号源开关的第二连接端电连接，所述运算处理装置通过所述功率计获取测试系统的频率响应特性；

19、所述运行处理装置在进行输入端口单端口校准、输出端口单端口校准和输入输出直通校准时通过四路接收支路的adc获取原始数据sm，然后将原始数据sm转换为t矩阵tm，最后利用线性方程组的求解方法并结合原始数据sm来求解出八项误差模型中的七个误差项，从而获取八项误差模型的输入误差项网络s参数sx和输出误差项网络s参数sy，并将输入误差项网络s参数sx和输出误差项网络s参数sy转换为t矩阵tx和t矩阵ty；

20、在对功率放大器进行测试时，所述运算处理装置通过四路接收支路获取测试原始数据，然后通过t矩阵tx和t矩阵ty对测试原始数据进行去嵌入来得到实际被测功率放大器的t参数ta，最后将t参数ta转换为s参数矩阵sa，以此得到被测功率放大器的真实s参数，所述运算处理装置通过频率响应特性获取被测功率放大器的实际功率。

21、本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：首先本发明通过混频器和adc来替代功率放大器测量用的网络分析仪接收机，这样降低了功率放大器的测试成本，另外本发明的大信号测试和小信号测试共用同一套耦合器和接收支路，省去了传统功率放大器测试过程中的器件的反复拆解和重复校准的过程，降低了测试工作量；

22、其次通过设置第一至射频信号源开关以及设置大信号输入支路和小信号射频信号源，这样通过选择第一至射频信号源开关的开关通路就能实现同一套系统来进行功率放大器的小信号测试和大信号来回切换测试，不用断开外置放大器和阻抗调配器，也不用重新校准，提高了测试效率；

23、最后通过设置步进衰减器，这样可以根据实际被测件参数来自适应调整衰减参数，能优化系统测试动态范围。