如何獲得大功率射頻信號的真實PA輸入阻抗

非理想PA(power amplifier，功率放大器)的輸入阻抗是在負(fù)載拉移系統(tǒng)中采用源拉移方法測量的，這種方法不存在由測量設(shè)備阻抗引起的不準(zhǔn)確性。但是，對源和負(fù)載調(diào)諧器采用多點測量和雙端口S參數(shù)值的測試方法能夠在探針/器件基準(zhǔn)面上提取射頻信號功率級真正的PA輸入阻抗。
隨著人們越來越多的關(guān)注集成式射頻功率應(yīng)用，對片上元件進(jìn)行準(zhǔn)確的特征分析對于成功實現(xiàn)集成電路設(shè)計變得至關(guān)重要。尤其對于PA而言，這一問題更加復(fù)雜。發(fā)送通路最后一級的高功率量級決定了PA的多種特殊屬性。其中之一就是它的輸入阻抗較低，該阻抗是隨著功率量級的變化而變化的。一般地，我們采用負(fù)載拉移系統(tǒng)測量片上元件的阻抗，或者其他一些不是50Ω理想阻抗的器件。

在負(fù)載拉移系統(tǒng)中，具有最小回波損耗的源阻抗通常被看成是DUT(device undertest，待測器件)的共軛阻抗。如果回波損耗確實在DUT的基準(zhǔn)面上，那么使用這種阻抗值是準(zhǔn)確的。但是，由于回波功率是在源調(diào)諧器基準(zhǔn)面上測量的，因此人們采用不同的方法從在調(diào)諧器基準(zhǔn)面上測得的回波功率中提取或“去嵌入”DUT基準(zhǔn)面上的回波頻率。與輸入和輸出功率的功率去嵌入方法不同的是，回波功率去嵌入對相位非常敏感。這使得去嵌入回波損耗只能得到一個近似的結(jié)果，只是在調(diào)諧器損耗可以忽略時這一結(jié)果才是準(zhǔn)確的。

分析與方法

為簡化起見，假設(shè)在調(diào)諧器基準(zhǔn)面上有一個理想的(即純電阻的)50Ω源阻抗。圖1給出了源調(diào)諧器基準(zhǔn)面、DUT輸入基準(zhǔn)面、DUT輸出基準(zhǔn)面、Γo、Γtuner、Γs和ΓDUT的基本定義。為敘述方便，我們稱源調(diào)諧器基準(zhǔn)面為“調(diào)諧器基準(zhǔn)面”，稱DUT輸入基準(zhǔn)面為“DUT基準(zhǔn)面”，這里只分析輸入通路。

圖1中反射系數(shù)(Γ)、S端口參數(shù)(S)、阻抗(z)和回波損耗(RL)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式如下所示：

我們的目標(biāo)是找到RLtuner和RLDUT之間的關(guān)系：

由于

它滿足

其中Sij是源調(diào)諧器模塊的雙端口S參數(shù)，它連接調(diào)諧器基準(zhǔn)面和DUT基準(zhǔn)面。

經(jīng)過化簡，可得

顯然，這是Γtuner幅值和相位的函數(shù)。這種相位關(guān)系確實有一個消失點，它出現(xiàn)在下列情況下

進(jìn)一步的分析表明，這一條件等效于理想的匹配網(wǎng)絡(luò)(即第二端口上的共軛匹配在第一端口上產(chǎn)生50Ω的阻抗)。這一條件在史密斯圓圖邊緣的高損耗區(qū)域不成立，因為帶有靠近傳動桿中心的內(nèi)部抽頭的調(diào)諧器具有較高的損耗。

在測量過程中采用的另一個近似處理是假設(shè)回波功率可以忽略。在這種情況下，相位差不存在問題。但是，從負(fù)載拉移系統(tǒng)測得的回波損耗的大小通常都較大，足以推翻這一假設(shè)。而且，回避損耗會隨著功率的變化而變化，因為DUT的阻抗是隨著功率的變化而變化的。因此，在整個射頻功率量級的掃描范圍內(nèi)，回波損耗不可能保持較低的水平。