用于60GHz功率放大器数字预失真的宽带毫米波测试台

Wideband Millimeter Wave Test Bed for 60 GHz Power Amplifier Digital Predistortion

Stephen J. Kovacic、Foad Arfaei Malekzadeh、Hassan Sarbishaei

Skyworks Solutions，美国马萨诸塞州沃本市

Mike Millhaem、Michel Gagne、Greg Jue、Jin-Biao Xu、Jean-Marc Moreau

是德科技，美国加州圣罗莎

尽管第四代（4G）蜂窝系统（LTE和LTE-Advanced）仍在部署当中，不过对第五代（5G）系统的积极研究和开发已经开始。5G移动网络提出了“随时随地万物互联”的愿景。5G系统的关键特性可能包括高度集成的密集网络，这种网络由小蜂窝组成，小蜂窝支持10Gbps量级的数据速率，往返时延为1ms或更短。在大多数研究中，研究人员假定多个空中接口可在微波或毫米波频率下工作，即新空口（NR）。5G NR有三种基本用例：增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（URLLC）。要实现这一愿景，我们需要在技术、商业模式和政策层面共同演进和变革。

例如，在政策方面，美国联邦通信委员会（FCC）最近宣布了一系列新规则，以支持新一代5G技术和服务的快速开发和部署¹。这些规则在28、37和39GHz频段上打造了新的灵活应用服务，并在64到71GHz创建了新的公共频段。这一新频段与现有的57至64GHz公共频段相结合，将公共频谱扩大到了14GHz（57至71GHz），其中一些远远超出与氧气相关的高吸收峰值。

向28GHz及以上新频段的转移将为基站和移动设备的功率放大器（PA）开发带来新的挑战。在28GHz时，载波预计为100MHz，载波聚合提供800MHz宽的信号。在60GHz及以上频段，802.11ad的载波已经达到2GHz宽。802.11ay提案增加了两个或多个这样信道的聚合或绑定。预计5G将在这些频段中使用类似的带宽。使用这些频段和信号带宽需要新一代的信号生成和分析设备。

在3G和4G蜂窝通信中，数字预失真（DPD）用于让功率放大器更高效地运行，而无需牺牲调制质量。这一点变得非常重要，因为信号峰均比（PAPR）增加了，降低放大器功耗的需求也随之增加。在5G中，建议的波形可能需要更高的信号峰均比。数字预失真能补偿放大器中的AM/AM和AM/PM失真。简而言之，可以对输入信号应用AM/AM和AM/PM曲线的倒数，从而在输出端产生理想的信号。在实践中，放大器的记忆效应也要加以考虑，非常宽的信号带宽使得记忆效应加剧。常用于功率放大器设计和仿真的电路模型不能预测存储器效应，而处理这个问题的唯一实用方法是对功率放大器进行测试，并捕获通过功率放大器之后的时域调制信号。现有的技术通常需要以三到五倍的信号带宽生成输入信号并进行测量。

可用于测试4G功率放大器的测试设备可以轻松处理这样的采样率，甚至包括最宽的20MHz LTE信号。对于带宽高达2GHz的5G和802.11ad信号，用于4G的技术超出了现有大多数矢量信号发生器和矢量信号分析仪的能力范围。

另一种不同的方法

为了应对5G和802.11ad的数字预失真带宽，我们可以使用宽带任意波形发生器（AWG）和示波器来生成和分析中频（IF）信号，采用上变频器和下变频器将中频信号转换为所需的载波频率。

为了对设计用于802.11ad的Skyworks 60GHz功率放大器执行数字预失真测量，我们可以使用Keysight M8195A 8位65GSPS任意波形发生器和S系列10位20GSPS示波器以及弗吉尼亚二极管公司（VDI）的紧凑型上变频器和下变频器。使用二次谐波混频器时，上变频器和下变频器需要本振（LO）信号，该信号的频率为最终本振频率的一半。本振使用是德科技的40GHz连续波（CW）信号发生器来产生。图1为使用的设备，图2为测试装置的框图。使用任意波形发生器的一个通道产生大约4GHz的中频信号。由于上变频和下变频使用相同的本振信号，因此示波器的中频输入也以4GHz为中心。使用这种方法，几乎可以将示波器的整个8GHz带宽都用于捕获信号。为了进行数字预失真分析，我们以1.5GHz的符号率和约2GHz的占用带宽生成了QPSK和64-QAM信号。信号以7.5GHz的采样率（即符号率的5倍）生成并进行分析。对于任意波形发生器，7.5GSPS I/Q信号通过软件调制到中频频率，然后上采样到56至65GHz范围内的任意波形发生器采样率。数字预失真测量在晶圆上进行。VDI上变频器和下变频器的一个优点是体积小，能放到非常靠近探头的位置，最大限度地减少电缆损耗。

▲图1：用于60GHz数字预失真测量的测试设备。

▲图2：60GHz测试系统框图。M8195任意波形发生器、E8267D矢量信号发生器和示波器通过局域网连接。

Keysight SystemVue和89600矢量信号分析仪软件是测量和分析的核心。SystemVue生成测试波形并提取数字预失真模型，然后应用这一模型生成预失真波形。矢量信号分析仪软件测量误差矢量幅度（EVM）和邻道功率（ACP），显示AM/AM和AM/PM转换，并提取数字预失真模型的I/Q数据。C#程序负责协调应用软件及控制M8195A任意波形发生器和本振信号发生器。图3为软件结构方框图。

▲图3：测试系统软件结构。

测量结果

我们针对两个不同的被测器件进行了测量。一个是基于45nm SOI CMOS技术制造的单级功率放大器，具有大约7.5dB增益和大约11dBm连续波（CW）1dB压缩点（P_1dB），以及大约15dBm的饱和输出功率（P_sat）。另一个被测器件（基于同一半导体平台制造）是一个三级功率放大器，增益为14dB，连续波P_1dB约为15dBm。在设计功率放大器时，我们的目标是让放大器具有最低的AM-AM和AM-PM失真，以及只有很少的记忆效应或完全没有记忆效应。AM/PM在整个设计频段上的变化是衡量放大器记忆效应的一种指标，AM/PM与频率的突然变化是线性化问题的征兆²。

单级功率放大器的数字预失真测量在几个射频输入功率电平上进行，三级功率放大器的数字预失真测量在输入功率范围内进行。一般来说，与没有数字预失真的结果相比，数字预失真能给ACP带来2到4dB的改善，能给EVM带来1到2点的改善。图4和图5所示为三级功率放大器单个测试用例的ACP和EVM结果。图4a显示没有数字预失真的低和高ACP电平分别为-28.8dB和-27.7dB。有数字预失真时（图4b），邻道功率低、高电平分别为-32.9dB和-30.2dB。数字预失真将下限电平和上限电平分别改善了4.1dB和2.5dB。EVM性能改善了1.4点，从没有数字预失真时的4.9%（图5a）变成有数字预失真时的3.5%（图5b）。

▲图4：无数字预失真（a）和有数字预失真（b）的ACPR性能。

▲图5：无数字预失真（a）和有数字预失真（b）时的EVM性能。

我们采用了几种方法来给功率放大器正确建模，并最终发现具有一个存储器扫宽的三阶存储器多项式能最准确地表述功率放大器的特性。如此一来，即使压缩值高，也可避免使用更复杂的Volterra模型。

结语

这种灵活的新毫米波测试系统能够生成并分析带宽非常高的信号，以便对60GHz的放大器数字预失真进行研究。测试台的关键组件包括M8195A任意波形发生器、VDI WR15紧凑型上变频器和下变频器、宽带DSOS系列示波器、89601B矢量信号分析仪软件和SystemVue。我们产生了数字调制的单载波波形，并在60GHz频段以7.5GHz的采样率进行了测量。这些宽带宽测量使用SystemVue提取数字预失真模型，并且该模型成功展示了ACPR和EVM这两种改善的放大器线性性能。使用其它可用的变频器可以将系统进一步扩展，用于其它毫米波频段的研究，如64至71、71至76和81至86GHz。

参考资料

1. Press release: FCC Takes Steps to Facilitate Mobile Broadband and Next-Generation Wireless Technologies in Spectrum Above 24 GHz, https://apps.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC- 340301A1.pdf

2. O. Hammi, S. Carichner, B. Vassilakis and F. M. Ghannouchi, “Power Amplifiers’ Model Assessment and Memory Effects Inten­sity Quantification Using Memoryless Post-Compensation Tech­nique,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, No. 12, pp. 3170–3179, December 2008.