CN110658443B - 一种针对射频前端器件的老练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对射频前端器件的老练系统，包括：与直流电源连接并检测电流的电源转接板；与电源转接板连接的被测件；为被测件提供高温环境进行耐久测试的高温箱；与被测件连接的负载及功率监测模块；激励源模块，激励源模块的输入端与信号源连接，激励源模块的输出端与被测件连接，激励源模块接受直流电源供电；单片机控制程序及上位机显示控制程序一同负责对整个系统进行梳理控制。本发明具有自动化测试，测试校准，数据实时传输及紧急关断等功能，可以切实减少人工工作量，提高测试准确性及测试效率，提高应对突发情况的反应能力，增加系统安全性。

Description

一种针对射频前端器件的老练系统

技术领域

本发明涉及老练系统领域，具体涉及一种针对射频前端器件的老练系统。

背景技术

老练系统运用在芯片电路的寿命、稳定性及可靠性的测试验证。在芯片设计生产过程中，老练实验能够排除芯片可靠性问题、鉴定各批次芯片真实性能、检验各批次芯片一致性，是一个非常重要不可忽略的部分。一般的老练系统仅在搭建稳定工作的电路，模拟产品正常工作状态，需要人工采集数据，面对突发情况时处理问题能力有限，需要人工介入，总体来讲费时费力，难以满足现实需要。

射频前端器件工作在射频频段，与一般的传统集成电路不同，在测试时需要加入射频激励模拟真实工作情况。一般的老练系统不会考虑射频激励在传导过程中的衰减以及如开关等原件对射频信号的影响，在实际使用中将无法准确测得目标数据。

发明内容

针对现有系统中存在的技术及兼容问题，本发明提出了一种针对射频前端器件的老练系统，以减少人工工作量，提高测试准确性及测试效率，提高应对突发情况的反应能力，增加系统安全性。

为解决上述问题，本发明在硬件方面的设计可分为三大主要模块，分别为电源转换模块，激励源模块以及负载及功率检测模块。射频输入信号通过激励源模块进入被测射频元件后进入负载及功率检测模块进行数据采集，电源转换模块主要起到直流电路整理的作用，帮助上位机控制各部分电压电流。

一种针对射频前端器件的老练系统，包括：

与直流电源连接并检测电流的电源转接板；

与所述电源转接板连接的被测件(即被测元件)；

为所述被测件提供高温环境进行耐久测试的高温箱；

与所述被测件连接的负载及功率监测模块；

激励源模块，所述的激励源模块的输入端与信号源连接，所述的激励源模块的输出端与所述被测件连接，所述的激励源模块接受直流电源供电。

所述的电源转接板包括：一个直流电源的接口、与所述直流电源的接口分接的16路并联的电流检测电路，每路电流检测电路包括：电阻、与所述电阻并联的电压传感器、与所述电阻串联的三极管保护电路，通过电压传感器检测电阻的电压，从而获得该电阻通过的电流，即该路电流检测电路的电流，三极管能够起到保护电路的作用，当电流过大时，三极管保护电路会将电流导通到地，截断电路，从而起到保护电路的作用。在功率放大器老练时，电流的突变会严重影响甚至直接损坏元器件，故该保护电路可以在一定范围内起到保护被测元件的作用。

所述的高温环境为80～120℃。

所述的被测件为射频前端器件，所述的射频前端器件为射频功率放大器、低噪声放大器(噪声系数F低于2分贝)。

所述的负载及功率监测模块包括：

与所述被测件的输出端连接多个支路衰减器(用于衰减元件输出信号，防止信号过大损坏仪器)；

与各个支路衰减器的输出端通过开关切换连接的功率检测器，所述的开关为同轴开关(采用5个同轴开关形成单刀16掷开关，用于切换测量通道)；

以及控制开关切换的计数器；

所述的功率检测器为频谱仪(用于检测目标参数，如Pout，ACLR)或功率计。

所述的开关与功率检测器之间可串接有总衰减器，在支路衰减器衰减数值不够的情况下，总衰减器参与工作，减少支路衰减器使用量，并能够保证电路的正常工作。在实际使用中，经常遇到衰减器不足的情况，此时，一个总衰减器可以替代16个同样的支路衰减器，可以很好的节约资源，且支路衰减器不能不连接，因为绝大部分功率都会加在第一级衰减链路中，一旦只采用总衰减器，16路电路的功率都会加在总衰减器上，造成衰减器过功率损坏。

控制开关切换采用控制器，控制器内设置有计数器，控制器还连接有与上位机连接的串口。使用单片机电路，用于控制通道切换以及与上位机交互。

负载及功率检测模块主要包括：负载衰减器，单刀16掷开关，频谱仪及集成在内部的控制器。其中，十六路输入均配备大于20dB的衰减器，以达到稳定的衰减数值。单刀16掷开关由集成于内部的控制器控制，并在数码管上显示目前监测的通道位置。内部控制器可通过串口与电脑进行信息交互，实现数据即时上传，即时分析。单输出接口连接频谱仪，频谱仪可由程序控制，实现数据即时获取，定时采集等功能。

所述的激励源模块包括：

与所述直流电源连接并根据电压变化产生不同频率信号的压控振荡器(用来提供内部连续波输入)；

与所述压控振荡器连接并衰减信号的程控衰减器(用于衰减信号，防止产生过大信号对驱动放大器造成损害)；

与所述程控衰减器连接并将信号放大的驱动放大器(用于放大信号保证足够的信号源输入)；

与所述驱动放大器连接并将信号分成两路的定向耦合器(用于输入信号功率监测)；

与所述定向耦合器连接并接收所述定向耦合器输出的一路信号的功分网络(具体可采用1分16功分网络，将一路输入信号16等分为16路输出信号，共采用5个1分4功分器)。

所述的定向耦合器连接有监测口，该监测口可连接功率计，检测功率，所述的定向耦合器输出的两路信号，一路信号输出给功分网络，另一路信号输出给监测口，用于检测功率。

所述的程控衰减器与所述驱动放大器之间设置有内外源切换开关，所述的内外源切换开关包括两个输入端和一个输出端，所述的内外源切换开关的一个输入端连接所述程控衰减器，所述的内外源切换开关的另一个输入端连接外部信号源，所述的内外源切换开关的输出端与所述驱动放大器连接。通过内外源切换开关可以切换程控衰减器的信号输入和外部信号源输入，当程控衰减器频率无法达到要求时，切换到外部信号源输入，从而产出相应频率输入信号。

所述的驱动放大器的两端并联有带开关的驱动放大器旁路，当驱动放大器的输入端信号功率足够的时候，通过开关切换到驱动放大器旁路，直接向定向耦合器输出。

激励源模块负责产生动态老练所需的射频激励信号，内部模块主要包括：VCO(压控振荡器)，程控衰减器，驱动放大器，定向耦合器，1分16功分网络。其中，内部VCO模式可支持连续波信号输出，同时，也支持外部信号输入调制信号或连续波信号。驱动放大器带旁路，在旁路模式下可切断驱动放大器工作。定向耦合器可引出SMA接口的检测口，进行信号监测。两种输入信号产生方式可以按需求切换，既满足了测试要求，又可以视情况减少不必要的测量器材使用，也在一定范围内弥补了部分源输入功率不足的问题。整个激励源模块外框固定座采用铝合金加工，适合整体固定和安装拆卸，内部各部件采用螺丝固定，易于拆卸更换。

激励源模块的具体连接关系为：上位机及单片机控制接口为最高级，负责其余所有部分的信息接收及控制；源可选择内外源两种模式，内部源使用VCO(压控振荡器)起振，通过ATT(程控衰减器)保护电路，外部源则通过SMA转接头连接，具体开关控制通过上位机实现；当源功率不足或使用VCO提供信号时可使用DRV(驱动放大器)对源信号进行放大，具体调用通过上位机实现；放大后的源信号经过定向耦合器可分为两路，一路为监测端口，提供给实验人员实时观察输入信号功率，一路为输出端口，与SMA转接头相连；输出信号使用组装的16路功分器最终分为16路信号输出，可同时进行供给16颗芯片进行老练实验。

为解决上述问题，本发明在软件方面的设计可分为两部分，分别为上位机显示控制模块和单片机控制模块。

所述的上位机显示模块包括：

电脑显示界面，用于给实验人员提供操作平台；

与各硬件模块交互程序，可控制接收各硬件模块数据及信息；

数据处理程序，用于对采集到的数据进行即时处理，生成可直观分析的数据或数据图；

应急处理程序，用于在紧急情况下处理问题或切断系统供电，保证实验安全。

上位机显示控制模块负责控制频谱仪进行数据采集，将数据实时上传；采集被侧件电压，控制调节部分电压如功放栅压至目标值；定时检测整个系统运行情况，在异常情况下及时做出反应，排除问题或切断设备，保证实验安全。

单片机控制模块负责控制开关转换，控制通道转换；与上位机交互，实现所有模块可程控。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

第一，通过程序控制老练测试，降低人力成本；第二，定时检测系统运行情况，提高老练实验安全性，降低仪器损坏几率。第三，使用射频标准检测方式，提高测试精度准确度，降低系统误差；第四兼容多种测试模式，可测试多种射频器件。第五，在保证老练测试正常运行的情况下尽可能减少器材使用，节约实验室资源。

本发明具有自动化测试，测试校准，数据实时传输及紧急关断等功能，可以切实减少人工工作量，提高测试准确性及测试效率，提高应对突发情况的反应能力，增加系统安全性。

附图说明

图1是本发明针对射频前端器件的老练系统的示意图；

图2是本发明中激励源模块的示意图；

图3是本发明中负载及功率监测模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为本发明一种针对射频前端器件的老练系统，包括：与直流电源连接并检测电流的电源转接板；与电源转接板连接的被测件(即被测元件)；为被测件提供高温环境进行耐久测试的高温箱(高温环境为80～120℃)；与被测件连接的负载及功率监测模块，负载及功率监测模块连接有对应的控制板；激励源模块，激励源模块的输入端与信号源连接，激励源模块的输出端与被测件连接，激励源模块接受直流电源供电，激励源模块同样连接有对应的控制板。

电源转接板包括：一个直流电源的接口、与直流电源的接口分接的16路并联的电流检测电路，每路电流检测电路包括：电阻、与所述电阻并联的电压传感器、与所述电阻串联的三极管保护电路，通过电压传感器检测电阻的电压，从而获得该电阻通过的电流，即该路电流检测电路的电流，三极管能够起到保护电路的作用。电源转接板包括：带电源供电指示灯，帮助操作人员直观观察测量通道位置及电路连接情况；16路电压调节电路(即16路并联的电流检测电路)，供给射频前端器件可调节的电压；24V压降电路，将给同轴开关供电的24V直流电转换成串口及一般器件可用的5V直流电，以达到清晰整洁的电源接电要求。

被测件为射频前端器件，射频前端器件为射频功率放大器、低噪声放大器(噪声系数F低于2分贝)。

如图1和图3所示，负载及功率监测模块包括：与被测件的输出端连接多个支路衰减器1(用于衰减元件输出信号，防止信号过大损坏仪器)；与各个支路衰减器1的输出端通过开关2切换连接的功率检测器3，开关2为同轴开关(采用5个同轴开关形成单刀16掷开关，用于切换测量通道)；以及控制开关2切换的计数器，计数器设置控制器4内。功率检测器3为频谱仪(用于检测目标参数，如Pout，ACLR)或功率计。开关2与功率检测器3之间可串接有总衰减器5，在支路衰减器1衰减数值不够的情况下，总衰减器5参与工作，可减少支路衰减器1使用量，并能够保证电路的正常工作。负载及功率监测模块中电路的连接采用SMA接口。控制开关2切换采用控制器4，控制器4内设置有计数器，控制器4还连接有与上位机连接的串口6。其中，十六路输入均配备大于20dB的支路衰减器1，以达到稳定的衰减数值。单刀16掷开关由集成于内部的控制器控制，并在数码管上显示目前监测的通道位置。控制器4可通过串口6与电脑进行信息交互，实现数据即时上传，即时分析。单输出接口连接频谱仪，频谱仪可由程序控制，实现数据即时获取，定时采集等功能。

如图1和图2所示，激励源模块包括：与直流电源连接并根据电压变化产生不同频率信号的压控振荡器7(用来提供内部连续波输入)；与压控振荡器7连接并衰减信号的程控衰减器8(用于衰减信号，防止产生过大信号对驱动放大器造成损害)；与程控衰减器8连接并将信号放大的驱动放大器9(用于放大信号保证足够的信号源输入)；与驱动放大器9连接并将信号分成两路的定向耦合器10(用于输入信号功率监测)；与定向耦合器10连接并接收定向耦合器10输出的一路信号的功分网络12(具体可采用1分16功分网络，将一路输入信号16等分为16路输出信号，共采用5个1分4功分器)。激励源模块中电路的连接采用SMA接口。

定向耦合器10连接有监测口11，该监测口11可连接功率计，检测功率，定向耦合器10输出的两路信号，一路信号输出给功分网络12，另一路信号输出给监测口11，用于检测功率。

程控衰减器8与驱动放大器9之间设置有内外源切换开关13，内外源切换开关13包括两个输入端和一个输出端，内外源切换开关13的一个输入端连接程控衰减器8，内外源切换开关8的另一个输入端连接外部信号源14，内外源切换开关13的输出端与驱动放大器9连接。通过内外源切换开关13可以切换程控衰减器8的信号输入和外部信号源14输入，当程控衰减器8频率无法达到要求时，切换到外部信号源14输入，从而产出相应频率输入信号。

驱动放大器9的两端并联有带开关的驱动放大器旁路15，当驱动放大器9的输入端信号功率足够的时候，通过开关切换到驱动放大器旁路15，直接向定向耦合器10输出。

激励源模块负责产生动态老练所需的射频激励信号，压控振荡器(VCO)对应有VCO上位机程序控制模块(PSB-VCO)，程控衰减器(ATT)对应有ATT上位机程序控制模块(PSB-ATT)，驱动放大器(DRV)对应有DRV上位机程序控制模块(PSB-DRV)，开关(SW)对应有SW互补晶体管逻辑电路(SW-CTL)。SW互补晶体管逻辑电路可通过调节输入电压来控制开关开启关闭。内部VCO模式可支持连续波信号输出，同时，也支持外部信号输入调制信号或连续波信号。驱动放大器9带旁路，在旁路模式下可切断驱动放大器工作。定向耦合器10可引出SMA接口的监测口11，进行信号监测。整个激励源模块外框固定座采用铝合金加工，适合整体固定和安装拆卸，内部各部件采用螺丝固定，易于拆卸更换。

激励源模块的具体连接关系为：上位机及单片机控制接口为最高级，负责其余所有部分的信息接收及控制；源可选择内外源两种模式，内部源使用VCO(压控振荡器7)起振，通过ATT(程控衰减器8)保护电路，外部源则通过SMA转接头连接，具体开关控制通过上位机实现；当源功率不足或使用VCO提供信号时可使用DRV(驱动放大器9)对源信号进行放大，具体调用通过上位机实现；放大后的源信号经过定向耦合器10可分为两路，一路为监测口11，提供给实验人员实时观察输入信号功率，一路为输出端口，与SMA转接头相连；输出信号使用组装的16路功分器最终分为16路信号输出，可同时进行供给16颗芯片进行老练实验。

配合上述模块的单片机控制模块和上位机显示控制模块。上位机显示模块包括：电脑显示界面，用于给实验人员提供操作平台；与各硬件模块交互程序，可控制接收各硬件模块数据及信息；数据处理程序，用于对采集到的数据进行即时处理，生成可直观分析的数据或数据图；应急处理程序，用于在紧急情况下处理问题或切断系统供电，保证实验安全。

上位机显示控制模块负责控制频谱仪进行数据采集，将数据实时上传；采集被侧件电压，控制调节部分电压如功放栅压至目标值；定时检测整个系统运行情况，在异常情况下及时做出反应，排除问题或切断设备，保证实验安全。

单片机控制模块负责控制开关转换，控制通道转换；与上位机交互，实现所有模块可程控。

本发明的针对射频前端器件的老练系统，首先，打开上位机程序，对电源、信号源、频谱仪及功率计进行初始化和参数设置，本次测试以功率放大器为例，因此需要设置信号源测量频段，频率间距，输入信号功率范围，输入信号调制方式，频谱宽度等必要信息。

将信号源连接功率计，通过电脑串口控制，使用上位机程序进行信号源校准，校准文件保存至本地。

将仪器按照信号源，激励源模块，负载及功率检测模块的顺序直连，通过上位机程序进行功率衰减校准，通道切换由程序控制，校准程序保存至本地。

将激励源模块与负载衰减及功率测量模块的连接断开，加入被测的功率放大器16颗，每颗连接一个通道，前端与激励源模块相连，后端与负载及功率检测模块相连。

将直流电源接入电源转接板及激励源模块，将电源转接模块输出与被测的功率放大器一一相连，打开电源，通过电源转接模块判断电路连通情况，若发现有某通道连接不正常则取下被侧件进行调试。

在电路正常的条件下，开启上位机测试程序，此时信号源受控打开，整个老练系统开始运行，操作人员可观察到负载及功率采集模块每隔一定时间采集目标数据，通道按顺序由单片机控制模块切换，数据保存至本地，如需要采集不同输入条件的输出数据，上位机将控制定时切换激励源模块开关，进行输入切换。

如某通道芯片损坏等突发情况发生，上位机将控制关闭该通道输入电压，下次采集数据时将跳过该通道，若出现短路烧毁、频谱仪接收信号超过阈值等紧急情况，上位机将控制关闭整个系统，确保仪器安全及实验人员安全。

结束老练实验分为两种情况，一种为所有试验样品均出现问题，系统判定老练实验可以结束，此时上位机控制老练系统使用的仪器按顺序关闭，停止实验；另一种为工程师分析老练数据后认为需要更改实验环境或结束实验，此时可人为点击上位机程序中的停止实验按钮，此时实验仪器按顺序关闭，实验停止。

如图2所示，激励源模块整体结构被分为两部分，外部由铝合金金属框体固定，散热条件良好，放置稳定不易出现连接松动情况。激励源模块控制部分采用绘制的集成电路板，相对使用较少空间，提高空间使用率。

如图3所示，16路输入均连接负载衰减器，保证所有实验通道衰减满足要求。16路开关后由设置了一个"衰减器*"，在衰减要求较大的情况下可使用衰减器*降低前置衰减器要求，降低成本。16路开关控制器由单片机电路构成，控制方便，控制板面积较小，方便更换及修改程序。单片机电路中含有串口电路，可与上位机连接，接收上位机控制。

本实施例为本老练系统的经典实施样例，在不脱离本发明范畴的情况下，还可以进行很大程度的改造，以满足各种不同器材不同条件的老练实验。

本发明通过上位机控制各仪器进行射频器材老练实验，老练实验期间不需要人工介入，很大程度上节省了人力成本，提高了公司运转效率。在数据采集与处理中使用程序进行处理验证，保证了数据的可靠性和准确性。上位机将数据实时保存本地，保证了采集的数据不丢失，同时，使用本地共享可以让所有局域网成员都实时地接收到采集的数据，可以随时观察实验情况。老练实验时间较长，容易发生意外及突发情况，本发明在一定程度上保护了仪器与实验安全。

Claims (3)

1.一种针对射频前端器件的老练系统，其特征在于，包括：

与直流电源连接并检测电流的电源转接板；

与所述电源转接板连接的被测件；

为所述被测件提供高温环境进行耐久测试的高温箱；

与所述被测件连接的负载及功率监测模块；

激励源模块，所述的激励源模块的输入端与信号源连接，所述的激励源模块的输出端与所述被测件连接，所述的激励源模块接受直流电源供电；

所述的高温环境为80～150℃；

所述的被测件为射频前端器件，所述的射频前端器件为射频功率放大器、低噪声放大器；

所述的负载及功率监测模块包括：

与所述被测件的输出端连接多个支路衰减器；

以及控制开关切换的计数器；

与各个支路衰减器的输出端通过开关切换连接的功率检测器，所述的开关为同轴开关，所述的开关采用5个同轴开关形成的单刀16掷开关，所述的开关与功率检测器之间可串接有总衰减器,所述的控制开关切换采用控制器，所述控制器内设置所述计数器，所述的控制器还连接有与上位机连接的串口；

所述的激励源模块包括：

与所述直流电源连接并根据电压变化产生不同频率信号的压控振荡器；

与所述压控振荡器连接并衰减信号的程控衰减器；

与所述程控衰减器连接并将信号放大的驱动放大器；

与所述驱动放大器连接并将信号分成两路的定向耦合器；

与所述定向耦合器连接并接收所述定向耦合器输出的一路信号的功分网络；

所述的程控衰减器与所述驱动放大器之间设置有内外源切换开关，所述的内外源切换开关包括两个输入端和一个输出端，所述的内外源切换开关的一个输入端连接所述程控衰减器，所述的内外源切换开关的另一个输入端连接外部信号源，所述的内外源切换开关的输出端与所述驱动放大器连接；

所述的驱动放大器的两端并联有带开关的驱动放大器旁路。

2.根据权利要求1所述的针对射频前端器件的老练系统，其特征在于，所述的功率检测器为频谱仪或功率计。

3.根据权利要求1所述的针对射频前端器件的老练系统，其特征在于，所述的定向耦合器连接有连接功率计的监测口。

Images