卫星导航射频芯片自动化测试平台设计与实现

黄建生 路瑜亮 刘 莉

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.陆装驻石家庄第一军代室，河北 石家庄 100094）

0 引言

随着我国北斗卫星导航系统正式开通服务，北斗产业迅猛发展，应用需求愈加广泛。卫星导航终端深入全社会各个行业，为其提供基础的时空信息服务，保障国家经济、国防、交通以及通信等各行业安全、健康地发展。

卫星导航终端芯片化、小型化、低功耗和低成本已经成为行业发展的方向，各类芯片广泛应用在卫星导航终端上。此外，芯片产业作为高端制造业的重点领域，正在成为衡量一个国家高端制造业水平的标杆。卫星导航终端射频芯片作为导航终端产品的基础部件，其性能的优劣将直接影响导航终端整机的性能指标。射频芯片测试则是射频芯片研发、制作和生产过程的重要环节，对北斗卫星导航终端产业的发展起举足轻重的作用。

1 射频芯片测试

1.1 卫星导航射频芯片

卫星导航射频芯片是将电磁波信号从模拟信号转换为数字信号（或者从数字信号转换为模拟信号）的集成电路。射频芯片内部器件包括功率放大器、低噪声放大器、滤波器以及射频开关等。功能包括信号接收、信号转换、信号处理和信号发送等。卫星导航射频芯片功能机构图如图1所示。

图1 卫星导航射频芯片功能结构图

1.2 射频芯片测试

射频芯片集成测试就是搭建射频芯片集成测试环境，按照射频芯片性能指标测试流程、控制仪器设备（直流电源、频谱仪、示波器以及矢量网络分析仪等）对射频芯片的功能和性能指标参数进行测试。射频芯片测试对射频芯片的研发、生产都是至关重要的，通过测试保证了射频芯片的质量，通过测试发现射频芯片在研制、生产过程中的问题，对提升射频芯片性能具有重要作用。射频芯片测试还可以避免不必要的人员和成本浪费。但是，射频芯片测试技术同样也面临问题和挑战：1） 射频芯片测试需要不断提升测试能力，以满足射频芯片多样化、复杂化的测试需求。随着射频芯片设计、工艺以及制造技术水平的不断提高，射频芯片的复杂度和测试项目不断增加，芯片测试难度也不断提高。2） 射频芯片测试需要满足批量化、自动化的需求。随着射频芯片产能的提高，传统射频芯片测试能力不能满足射频芯片厂家重复性的测试需求，需要专业化、自动化的射频芯片测试系统。

1.3 测试内容

射频芯片性能指标测试内容主要包括以下8项（射频芯片测试内容列表见表1）：1） 输入三阶交调截断点。输入三阶交调截断点是射频系统中衡量线性度或失真的重要指标，当2个信号在1个线性系统时，由于存在非线性因素，因此使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波混频后产生的寄生信号。2） 总增益范围。总增益范围是指射频芯片输出端口信号与输入端口信号相比的放大程度。3） 增益控制范围。增益控制范围是指射频芯片对输出端口信号增益控制的范围。4） 1 dB压缩点输入功率。它可以用来考核射频芯片的线性度。射频芯片的放大器的输出功率无法随着输入功率的增加而一直呈线性比例放大，最后总会达到饱和，当放大器的增益比线性的理想值小于1 dB后不再降低时的输入功率称为输出1 dB压缩点。5） 噪声系数。噪声系数表示射频芯片内部本身所产生的噪声，其值越小越好。6） 本振相位噪声。本振相位噪声是指射频芯片本振在噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，本振信号的相位噪声太大会降低系统的信噪比，从而影响接收灵敏度。7） 带外抑制。带外抑制是指对射频芯片通带以外的信号的抑制程度。8） 镜像抑制。镜像抑制是指对射频芯片输入信号的镜像频点的抑制能力。

表1 射频芯片测试内容列表

2 自动化测试平台

射频芯片自动化测试平台以开放性、灵活性和可扩展性为基该设计原则来规划系统的软硬件架构。

2.1 工作原理

射频芯片自动化测试是围绕射频信号正常工作条件搭建的测试环境，设置射频芯片工作状态，给射频芯片输入激励射频信号，获取射频芯片输出的中频信号，通过标准仪器对射频芯片的输出信号进行采集和测量，从而给出射频芯片的性能评估结果。

射频芯片自动化测试平台由通用标准测试仪器、测试夹具、通信网络以及程控稳压电源等部分组成。通用标准测试仪器主要包括信号发生器、频谱仪、示波器以及矢量网络分析仪等仪器组成。测试夹具是一个通用的射频芯片安装平台，可以为不同射频芯片提供通用的测试接口。

首先，通过程控稳压电源给射频芯片测试平台供电。其次，自动化测试控制软件给射频芯片发送SPI指令，修改射频芯片各寄存器的值，设置射频芯片工作状态。再次，控制信号发生器给射频芯片输入合适的射频信号，射频芯片给指定的测试仪器输出中频信号。最后，自动化测试控制软件设置测试仪器的测试参数，对输出的中频信号进行测试，并对采集的测试数据进行处理和评估，给出被测射频芯片指标的评估结果。射频芯片自动化测试平台工作原理图如图2所示。

2.2 测试评估方法

以输入三阶交调截点测试项目为例介绍射频芯片自动化测试评估方法。输入三阶交调截点（input power of third-order intercept point）定义如下：将2个频率相近的信号同时输入射频芯片中，通过射频芯片的非线性作用产生三阶交调信号，当三阶交调信号功率与射频芯片中频输出功率相等时，所对应的射频芯片输入信号功率为输入三阶交调截点。

测试评估方法如下：1） 如图2所示，连接仪器设备和被测射频芯片。2） 设置射频芯片的工作模式，为最小增益。3） 设置信号发生器1的输出信号频率，信号电平为射频芯片中频通道的最大功率。4） 设置信号发生器2的输出信号频率+0.1 MHz，信号电平为射频芯片中频通道的最大功率。5） 设置频谱仪中心频率为射频芯片输出频率+0.05 MHz，扫频宽度为1 MHz，调整频谱仪分辨率带宽，使频谱仪能够清楚分辨2个中频信号和三阶交调信号。6） 读取信号发生器1的输出功率、频谱仪中频输出信号功率和三阶交调信号功率，根据公式（1）计算输入三阶交调截点。

图2 自动化测试平台工作原理图

式中：3为三阶交调截点，dBm；为信号发生器1的输出信号功率，dBm；为信号源输出端至射频芯片输入端的附加电缆损耗，dB；为频谱仪测得的中频输出信号功率，dBm；为频谱仪测得的输出三阶交调信号功率，dBm。

2.3 自动化测试评估流程

射频芯片自动化测试评估是基于测试模板实现的。测试模板中包括测试流程步骤、控制对象以及控制参数等。用户可以对测试模板以及测试参数进行编辑和修改。测试模板编辑功能包括创建模板、删除模板、复制模板、黏贴模板、添加项目和删除项目等。

自动化测试评估流程是从测试项目模版中读取测试流程，协调控制各设备及仪器按照测试模板运行，完成激励信号产生、自动测试信号测量、测试数据采集以及分析评估工作。测试流程完成单个项目的自动化运行后自动读取下一个项目的测试模板文件，直到完成所有测试项目，从而实现对射频芯片的一键式自动化测试，提高测试效率，节省人工。射频芯片自动化测试评估流程如图3所示。

图3 射频芯片自动化测试评估流程图

3 射频芯片自动化测试平台试验验证

3.1 试验验证

根据射频芯片自动化测试原理和上述设计方案，利用信号发生器、频谱仪、矢量网络分析仪和时频芯片搭建了北斗卫星导航射频芯片自动化测试系统，该系统可以对北斗射频芯片的性能指标进行测试验证。

3.2 试验验证平台

射频芯片自动化测试试验验证平台使用的信号发生器型号为Agilent9310A和 E4421B，频谱仪为Agilent9010A，卫星导航射频芯片选用广州海格通信有限公司研发的RX3701芯片。射频芯片自动化测试试验验证平台如图4所示。

图4 射频芯片自动化测试试验验证平台

RX3701是一款支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo、QZSS以及IRNSS等卫星导航系统信号的射频芯片。接收通道工作频率覆盖1.15 GHz～1.65 GHz、2.45 GHz～2.55 GHz，可满足定位、定向、高精度测量和短报文通信等多种应用需求，可应用于低功耗、小型化、多功能集成以及高抗干扰的北斗卫星导航终端设备，测试用RX3701射频芯片及模块如图5所示。

图5 RX3701射频芯片及模块实物

3.3 试验验证结果

使用射频芯片自动化测试试验验证平台对RX3701芯片的输入三阶交调截点、总增益范围、增益控制范围、1 dB压缩点输入功率、噪声系数、本振相位噪声、带外抑制和镜像抑制等指标进行测试。测试过程如图6～图8所示。

图6 信号发生器输入信号

图7 输入三阶交调截点试验验证

图8 1 dB压缩点输入功率试验验证

RX3701射频芯片试验验证结果见表2，测试过程符合预期，试验验证结果满足指标要求。

表2 试验验证结果汇总表

4 结语

该文针对卫星导航射频芯片测试的发展需要，基于射频芯片性能指标测试评估方法的测试模板实现了卫星导航射频芯片的自动化测试评估技术，对推动卫星导航射频芯片测试的标准化和规范化具有重要意义。