基于外围设备互连总线在仪器领域的功能扩充系统的低成本射频放大器芯片测试方案与实现

摘要： 方案采用外围设备互连总线在仪器领域的功能扩充（PXI）射频RF模块搭建成一套射频并行测试系统，实现一款采用融合架构的集成化射频放大器芯片的最终测试，解决了测试成本高，测试不稳定等问题；同时提出了一些射频测试的方法用来加快测试效率.最终测试结果表明，该方案的测量结果与测量要求一致，同时又降低了测试成本，具有一定的应用前景和实用价值.

关键词：

外围设备互连总线在仪器领域的功能扩充； 射频放大器； 自动化测试； 并行测试； 最终测试； 自动化测试设备

中图分类号： TN 407文献标志码： A文章编号： 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，Fudan 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

基金项目： 国家自然科学基金（N61571135）

作者简介： 杨祯（1989-），男，工程师，主要从事电源管理、存储器、射频器件方面的研究.Email：skgallen@foxmail.com

引用格式： 杨祯.基于外围设备互连总线在仪器领域的功能扩充系统的低成本射频放大器芯片测试方案与实现 [J].上海师范大学学报（自然科學版），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.

射频功率放大器是无线通讯系统发射端最关键的部件之一，由于通讯芯片的发射级电路出来的射频信号功率非常小，必须加入射频放大器才能使信号反馈到天线上辐射出去[1].大部分射频放大器芯片都支持多种调制模式、工作频率和工作模式，导致射频测试非常复杂，因此对于射频芯片的测试非常必要.另外，射频类芯片测试成本越低，带来的效益也越大[2].本文作者基于外围设备互连总线在仪器领域的功能扩充 （PXI）板卡结合自动化测试设备 （ATE），实现一种多颗射频芯片并行测试的方案，解决了测试时间长，测试设备费用高等问题.

1芯片测试情况说明及测试要求

1.1待测芯片介绍

图1是待测芯片的基本工作结构，该芯片由两颗不同频率的射频功率放大器单元（PA），一颗射频开关器单元（SP8T）和一颗CMOS控制器单元组成.其中工作频率为825～2 025 MHz，支持Global System for Mobile（GSM）系统、Digital Communication系统（DCS），Personal Communication系统（PCS），Time DivisionSynchronous Code Division Multiple Access（TDSCDMA）系统，Long Term Evolution（LTE）系统.由于采用融合架构，待测芯片有巨大的尺寸和成本优势，可以被广泛用于智能手机、智能手表、物联网设备等需要无线通讯的设备中.为了减小芯片尺寸，采用晶圆级晶片尺寸封装.该芯片一共有16根管脚，其中TX_HB_IN和TX_LB_IN为输入管脚，ANT为输出管脚，VCC和VBATT为电源管脚，BS2/BS1/VRAMP/VMODE/TXEN为输出管脚，TRX1到TRX6为开关管脚，如图2所示.

图2芯片封装管脚图

1.2芯片测试方案选择

从方案价格方面考虑，能提供PXI模块[3]的厂家很多，数字测量部分只需ATE的基本功能即可.软件方面，NI LABVIEW，NI TestStand，MicrosoftVS2010等均可在其平台上实现功能，非常灵活[4-5].另外，PXI模块测量精度高，速度快，其自带专用射频测量算法比通用ATE的测量模式更先进.综合考虑，最终选择基于PXI测试方案作为量产方案.

2射频硬件方案开发与实现

2.1射频测量部分测试硬件介绍

本方案的射频测量部分采用PXI射频信号产生模块3026、PXI射频信号采集模块3035、PXI射频信号切换模块DRPM、PXI射频信号分离模块和PXI射频多路开关模块2544.为了节约成本，本方案选用两个工位并行的测试架构.其架构思路是先由射频信号产生模块发射一个放大信号，然后通过射频信号分离模块把信号分隔成两路，并衰减成需要的信号进入芯片的输入端，接着芯片从输出端发送一个放大的信号，通过多路开关模块后，进入射频采集模块，如图3所示.

硬件测量方面，由于射频采集模块一次只能采集一路信号，两个工位同时测试时，只能用射频开关控制切换测量，所以这个部分是串行工作的.另外，这里需要测量谐波，所以在芯片输出端之前加入一个滤波盒，滤去多余波.

测试负载板方面，因为TRx1到TRx6端口太多，负载板上需增加一个射频切换器，减小系统复杂度.负载板设计方面，需要对于射频地和数字地分开处理，减小干扰.

2.2数字测量部分测试硬件介绍

本方案的数字部分采用ATE系统实现，ATE连接PXI板卡示意图如图4所示.PXI射频信号产生模块3026的触发口连接ATE控制板卡的端口PFI0，PXI射频信号采集模块3035连接ATE控制板卡的一个端口PFI1，最后通过ATE的输出向量控制PXI模块[6].待测芯片与ATE供电板卡的连接示意图如图5所示.图5中J5，J3为ATE的测试负载板供电通道.如图6所示，待测芯片与ATE数字测量板卡连接示意图.图中J9为ATE的测试负载板的数字通道，其中VC1/VC2/VC3是测试负载板上一个射频切换器的控制通道.

2.3射频系统的校准

在射频系统中硬件都存在微小的信号损耗，这些损耗会导致射频测试结果产生误差，所以在测试前需要对整个系统进行校准.首先，把PXI射频信号产生模块和PXI射频信号采集模块用连接器相连，PXI射频信号产生模块提供一个固定功率给采集模块，计算實际采集值与发射功率之差作为系统内部损耗.接着用功率计（测量射频功率的专用仪器）连接射频信号产生模块，信号产生模块发射一个固定功率，功率计采集值和信号产生模块发射功率值之差作为通路导线和元器件损耗[7].然后分别把测试评估板和量产测试板放入测试系统中进行测量，所得到的测量值之差就是量产测试板中测试盖带来的损耗.最后分别记录这些损耗值，以便后续测量项中进行损耗补偿.

3射频测试方法介绍

3.1射频谐波测试方法

本方案的射频测试需要测试二次谐波和三次谐波.如图4所示，测量项目的线路是经过滤波器的ANT端到2544的ch0口，这部分内部没有滤波单位直连通路.当需要测量二次谐波时候，芯片输出信号

的线路经过滤波器的HB端（滤去基波） 到2544的ch2口，最终测量的功率为二次谐波功率.当需要测量三次谐波时候，芯片输出信号的线路是经过滤波器的LB端（滤去基波和二次谐波）到2544的ch1口，最终测量的功率为三次谐波功率.

3.2最大饱和功率和增益测试方法

射频测试中的饱和输出功率指的是当射频放大器输出功率随输入功率增加到非线性工作区时，输

出功率不再线性增加情况下的功率，它是衡量射频放大器性能的一个重要指标[8].在高斯滤波最小频移键控（GMSK）模式下，只需提供固定的输入功率Pin，然后用射频采集模块测量对应的输出功率Pout.在其他模式下，需要提供一个参考输出功率，信号源从最低输入功率开始进行扫描测试输出功率，再与参考功率进行比较，得到饱和功率.其通常步骤是：

1）根据工作模式和待测输出波形，提供一个参考输出功率Pref.

2）输入Pin，射频测量出对应的Pout，并与Pref比较.当Pout-Pref< 0.1 dB，Pout即为最大饱和功率.反之，在原输入功率基础上增加一个固定步进s=0.1 dB，依次循环，直到求出饱和功率.

上述算法优点是测试的精度高，缺点是固定的步进扫描会导致测试时间变长.为了减少测试时间，本方案采用非固定的步进算法，其步骤是：

1）当Pout-Pref>3 dB时，设置s=1 dB；当Pout-Pref<1 dB时候，设置s=0.1 dB；当1 dB≤Pout-Pref≤3 dB时，设置s=0.5 dB；

2）依次循环，测出最大饱和功率.

最终得到最大饱和功率和输入功率之差就是增益Gain.

3.3功率附加效率测试方法

功率附加效率指的是射频放大器工作时候输入功率到输出功率的损耗功率[9].在本方案中，其计算公式为：

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

其中，Pdc为工作功率，Udc为工作电压，Idc为电流.

3.4插入损耗测试方法

插入损耗指的是信号在传输过程中通过器件产生的损耗.在本方案中插入损耗主要测量功率放大器发射端到射频切换器单元之间通路的损耗，其计算公式如下：

IL=-10lg（Pout/Pin）.（2）

由于测试系统中有损耗误差，所以实际的插入损耗应该减去系统的损耗值[10].

3.5漏电流测试方法

漏电流测试指的是在芯片不工作或者结束工作的情况下，测量其管脚的电流值.因为射频放大器芯片主要运用于移动设备中，对功耗非常敏感，一般产生的功耗越小越好，所以测试漏电流是必要的.在本方案中主要用ATE数字板卡测试管脚的漏电流，为了保证对功耗进行控制，在芯片工作开始前和芯片工作结束后需要分别测量一次漏电流.

3.6测试数据分析

表1为部分关键测试项目的原始测试数据，测试结果均在芯片标准值范围内，符合测试要求.由于射频测试板和测试盖都会对测试结果产生影响，所有最后对原始数据进行相应的补偿就可以得到最终准确数据.最终单个工位的测试时间为465.8 ms，两个工位并行的测试时间为538.6 ms，结果表明系统可以正常工作且测试所花费时间较少.

4总结

针对目前多模射频功率放大器测试成本高，测试复杂度高等问题，提出一种基于PXI的低成本自动化测试方案，实现多颗芯片的并行测试.该方案在软件开发过程中，对测试方法进行了优化处理；在硬件开发过程中，设计了专用测试硬件.经测试表明，该方案降低了测试的费用，提高了测试效率，系统架构的可移植性高，具有一定的应用前景和实用价值.

参考文献：

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[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.

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（責任编辑：包震宇，郁慧）