射频芯片自动测试平台设计

一届流寇

摘要:射频芯片具有频率高的特点,传统的测试方法是通过信号源、频谱仪、矢量网络发生器等设备分别连接射频模拟接口测试,不同链路测试就需要重新连接线缆,测试效率低。本文介绍了基于开关矩阵的射频芯片自动化测试平台,采用GPIB接口连接和Pascal语言编程,结合射频开关矩阵灵活切换的优点,搭建自动测试平台,实现了对射频芯片多参数的自动测试,具有测试效高和测试精度高的特点。

1 序言

射频芯片由于其较高频率的特点,主要应用于通信、雷达、导航等领域,近年来,随着这些领域的快速发展,射频芯片的需求量也相应的加大,对于测试精度和测试效率提出了更高的要求。本文利用开关矩阵灵活切换的特点,搭建出可满足测试需求的自动测试平台。本文测试对象是S波段射频收发芯片,具有射频接收和发射两部分,其中发射部分采用零中频架构,需要信号源提供4路IQ 25KHz基带信号,经过芯片内部电路处理,输出频率为1980MHz～2010的射频信号;接收部分采用基于一次变频到中频结构,输入频率范围为2170MHz～2200MHz的射频信号,经过芯片内部处理后,与混频器变频到中频信号。待测试的典型参数包括接收部分的噪声系数(NF)和发射部分的输出功率。若采用传统方式测试,则需要两台频谱仪,一台信号源,此方式具有占用测试资源多、测试效率低的缺点。若采用基于开关矩阵的自动测试平台,则只需要一台频谱仪和一台信号源,并且可以自动控制信号源与频谱仪,自动读取和判定数据,大大提高了测试效率,节省了测试资源。

2 测试硬件平台
测试平台硬件包括电脑、信号源、频谱仪、电源、开关矩阵和测试板等硬件设备,利用本套测试平台,在不切换连接线的情况下,可以完成对射频接收和发射部分的参数测试。
2.1 平台硬件连接结构
根据射频收发芯片的测试原理,测试平台硬件连接结构如图1所示。

图1 测试平台硬件连接结构图

信号源采用安捷伦4438C,具有同时提供射频信号和低频IQ信号的功能,可满足射频接收和发射的需求。频谱仪采用安捷伦9020A,只有一个信号输入接口,通过开关矩阵的切换,实现发射和接收的测试。

信号源和频谱仪均通过通用接口总线(GPIB)接口与电脑建立通信,信号源发射信号和频谱仪分析信号处于可自动控制状态,其次开关矩阵通过串口与电脑建立通信,开关矩阵的开关切换也处于可控状态。
在本平台中,各设备的通信是完成自动测试的重要组成部分,主要有三种通信方式,第一是针对芯片寄存器读写的SPI通信,主要是通过对芯片寄存器的配置实现芯片不同功能性能的切换;第二是针对开关矩阵的串口通信,配置好的开关链路信息通过串口发送到开关矩阵,以此来控制开关矩阵的链路;第三是针对信号源和频谱仪等仪器的GPIB通信,GPIB接口具有传输速率高、价格便宜、操作简单等优点[1],广泛应用于安捷伦、NI等测试仪器中。基于这些接口,测试平台可以自动完成SPI配置、信号生成、信号分析和开关链路选择等工作,大大提高了测试效率。

2.2 开关矩阵结构
开关矩阵作为信号传递的枢纽[2],主要是自动切换不同的测试链路,其链路结构如图2所示,主要有电源模块、控制模块和射频开关组成。外部射频端口包括端口1～5、IN1～IN4、OUT1～OUT4等9个端口,根据测试需要,连接测试设备或芯片端口。开关矩阵内部射频开关总数量为9个,编号从K1到K9,其中K1～K6是2选1射频开关,支持0和1两种开关逻辑状态,K7～K9是4选1射频开关,支持0、1、2、4、8五种逻辑开关状态。实现图2虚线链路接通,可表示为9,0,1,0,0,0,0,1,8,1,其中9表示射频开关数量为9。因此通过编程即可实现开关矩阵不同链路的切换。

图2 开关矩阵链路图

图3 射频芯片测试流程图

射频信号在传输的过程中会有一定的损耗,在本方案中由于输出信号经过了较长的线路连接,并且经过了开关矩阵链路,因此线上有一定的损耗,在测试参数之前,将相应频点下的线上损耗测量出来,并计入到最终的测试结果。

3 测试平台软件系统

测试平台软件系统是基于Pascal语言的软件平台,通过设备配置、驱动配置、测试项配置和自动存储数据等功能,实现测试的自动化。

3.1 软件系统测试流程

射频芯片测试流程如图3所示,通过设备配置找到连接的所有设备;SPI驱动配置是对芯片内部寄存器读写操作,该驱动配置可以由软件的驱动配置模块完成;测试项配置是测试的核心部分,包含了仪器发射、接收、频点设置、输出数据定义等主要内容;输出数据默认以excel表格形式保存,也可根据需求进行自定义其他形式输出。

3.2 软件实现方法
软件的主要通过Pascal语言实现,Pascal语言是一种标准的“结构化程序设计语言”[3]。对于发射端口测试,按照图1所示连接测试平台,信号源输入IQ四路中频信号,频率为25KHz,输出端通过开关矩阵连接到频谱仪,输出的信号频率为1989MHz,测量输出功率值,测试项配置程序如下所示:

SPIFreqSetTx(1989); //SPI配置
SW_SendCmd(d_SW, GetSLValue('TX_PSA'));
//开关矩阵链路选择
DoMethod(FThis, 'SG_SetWaveFile', [d_SGDevice,
'SINE_TEST_WFM']);//信号源输出波形
DoMethod(FThis, 'PSA_GetMarkValue', [d_PSADevice,
1], vOutParam);//频谱仪测试
ShowDataToSG(FThis,'TXPower' ,vPower);
//输出结果
对于接收端口测试,按照图1所示连接测试平台,信号源输入2170MHz射频信号,输出端通过开关矩阵连接到频谱仪,输出的信号频率为3.2MHz,测量输出功率、噪声等参数,根据这些参数计算出噪声系数,测试项配置程序如下所示:
SPIFreqSetTx(1989); //SPI配置
SW_SendCmd(d_SW, GetSLValue(' RX_SG_PSA '));
//开关矩阵链路选择
DoMethod(FThis, 'SG_SetRFFreq', [d_SGDevice, 2170]);/
/设置信号源频率
DoMethod(FThis, 'SG_SetRFAmplitu', [d_SGDevice,
vSGPower + GetLLValue('Rxin')]);
//设置信号源功率
DoMethod(FThis, 'PSA_GetMarkValue', [d_PSADevice,
1], vOutParam);
//频谱仪测试输出功率
DoMethod(FThis, 'PSA_GetMarkValue', [d_PSADevice,
2], vOutParam);//频谱仪测试底噪
NF := 174 - 10*log10(1800) - vGain + vPnoise;
//计算噪声系数
ShowDataToSG(FThis,' NF ' , NF);
//输出结果

４总结及展望
本文通过测试设备、开关矩阵和电脑的连接控制,实现了射频收发芯片的自动测试,结果自动保存,测试平台具有高效、高精度的优点,可以应用于更多同类型的射频芯片测试中,并且具有大规模批量测试的能力。（参考文献略）