矢量負(fù)載牽引技術(shù)

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由于通信制式越來越復(fù)雜，對(duì)放大器的線性度和效率要求越來越高。由于放大器的效率和線性度是個(gè)永恒的矛盾，所以如何平衡這樣的矛盾達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)就是一個(gè)需要解決的難題。此時(shí)需要通過調(diào)節(jié)輸入和輸出端的阻抗，也就是負(fù)載牽引(Load-Pull)原理來改善增益壓縮點(diǎn)，從而降低諧波的非線性失真，模擬功放的最大輸出功率負(fù)載點(diǎn)，然后實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率、高輸出功率，高線性功放等目的。

負(fù)載牽引方法可以找到讓有源器件輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻抗。同理也可以得到讓功率管效率最高的匹配阻抗。這種方法可以準(zhǔn)確地測(cè)量出器件在大信號(hào)條件下的最優(yōu)性能，反映出器件輸入、輸出阻抗隨頻率和輸入功率變化的特性，為器件和電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

什么是負(fù)載牽引？

Tips

RF功放在大信號(hào)工作時(shí)，最佳負(fù)載阻抗會(huì)隨著輸入信號(hào)功率的增加而跟著改變，所以我們必須在史密斯圓圖上(Smith chart)上，針對(duì)不同的輸入功率，每給定一個(gè)輸入功率，畫出在不同負(fù)載阻抗時(shí)的等輸出功率曲線(Power contours)，從而幫助我們找出最大輸出功率時(shí)的最佳負(fù)載阻抗，這種方法稱為負(fù)載牽引（Load-Pull）。

負(fù)載牽引系統(tǒng)是改變射頻微波器件輸入源阻抗和輸出負(fù)載阻抗的阻抗?fàn)恳到y(tǒng)，它可以測(cè)量出射頻微波器件及功率芯片在不同源阻抗及負(fù)載阻抗下的各種工作參數(shù)，典型的被測(cè)件是功率晶體管、MMIC 及放大器。對(duì)于功率晶體管器件，可以測(cè)量出在最大輸出功率、最佳功率附加效率或最佳線性特性下的源端和負(fù)載端的最佳阻抗匹配參數(shù)，從而優(yōu)化放大器的設(shè)計(jì)性能及提高設(shè)計(jì)效率。

01

標(biāo)量負(fù)載牽引系統(tǒng)

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負(fù)載牽引系統(tǒng)已經(jīng)被業(yè)界廣泛使用30多年，大多數(shù)負(fù)載牽引系統(tǒng)都是使用兩個(gè)Tuner配合信號(hào)源、功率計(jì)、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀及一些測(cè)試附件，其中網(wǎng)絡(luò)分析儀只是用來完成對(duì) Tuner 和系統(tǒng)附件 ( 包括夾具 ) 的校準(zhǔn)，測(cè)量時(shí)不再使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖1所示為典型負(fù)載牽引系統(tǒng)架構(gòu)，這種系統(tǒng)配置仍然被很多客戶使用，該系統(tǒng)也被稱之為標(biāo)量負(fù)載牽引系統(tǒng)。

測(cè)量參數(shù)包括：Pin，Pout, Gain, PAE 等

主要優(yōu)勢(shì)：成本低

圖 1：典型負(fù)載牽引系統(tǒng)架構(gòu)

02

矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)

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隨著高端網(wǎng)絡(luò)分析儀的普及，當(dāng)前很多客戶是基于VNA矢量接收機(jī)外加雙定向耦合器及兩臺(tái)Tuner實(shí)現(xiàn)矢量負(fù)載牽引測(cè)量，我們稱之為矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)，同時(shí)也稱LP-Wave負(fù)載牽引系統(tǒng)。

矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)是基于VNA的一種新穎的測(cè)量方法，與傳統(tǒng)負(fù)載牽引測(cè)試系統(tǒng)不同的是在輸入Tuner的后面和輸出Tuner的前面增加了兩個(gè)低損耗的雙定向耦合器，從而可以測(cè)量被測(cè)件的入射波、反射波和輸出波，通常稱之為A1、B1、A2 和 B2（如圖2）。基于A1、B1、A2和B2參數(shù)，不僅可以非常方便地計(jì)算出被測(cè)件的ΓS 和 ΓL、 真正的PAE、AM-PM，和擴(kuò)展為混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)提高反射系數(shù)，而且還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載線、電壓電流時(shí)域波形的測(cè)量及生成非線性大信號(hào)模型。

測(cè)量參數(shù)包括: Pin, Pout, Gain, PAE , Gamma-In/Out of DUT

主要優(yōu)勢(shì):

①基于VNA的矢量接收機(jī)模式，實(shí)時(shí)測(cè)量A1、B1、A2和B2波。可以精確計(jì)算出ΓS、ΓL、PAE及AM-PM等參數(shù)。

②測(cè)試精度高。第一，高端VNA相對(duì)于功率計(jì)有非常高的動(dòng)態(tài)范圍；第二，高端VNA不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍所有測(cè)試附件的校準(zhǔn)工作，并且支持基于失配誤差修正的功率校準(zhǔn)技術(shù)；第三，阻抗的精度不是取決于機(jī)械Tuner的校準(zhǔn)精度，而是取決于網(wǎng)絡(luò)儀四個(gè)接收機(jī)的實(shí)時(shí)測(cè)量精度。

③維護(hù)成本低。簡化的測(cè)試系統(tǒng)省去了額外的測(cè)試儀表，并且使得校準(zhǔn)及測(cè)試工作異常簡單，從而降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

④同時(shí)支持負(fù)載牽引測(cè)試和S參數(shù)測(cè)試

⑤支持升級(jí)到時(shí)域和混合型負(fù)載牽引測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試速度快。兩個(gè)原因，一是Focus公司的所有自動(dòng)化Tuner都是支持iTuner技術(shù)，并且每個(gè)Tuner內(nèi)置微處理器及命令語言；二是高端VNA代替了傳統(tǒng)負(fù)載牽引系統(tǒng)里使用的信號(hào)源、功率計(jì)、頻譜儀等儀表，使得測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)簡化。

圖2：矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)架構(gòu)

VNA不僅可以作為激勵(lì)信號(hào)源，也可以提供四個(gè)矢量接收機(jī)用來測(cè)量 A1、B1、A2和B2信號(hào)。

圖3：矢量負(fù)載牽引測(cè)量數(shù)據(jù)

03

混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)

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針對(duì)毫米波頻段的被測(cè)件，大多數(shù)都是在片晶圓器件，因此測(cè)量需要探針臺(tái)，不過探針臺(tái)對(duì)于負(fù)載牽引測(cè)量而言相當(dāng)于一個(gè)測(cè)試夾具，沒有嚴(yán)格的要求，但是在系統(tǒng)集成及探針臺(tái)改造是在片系統(tǒng)搭建的一個(gè)關(guān)鍵步驟。

通常使用電纜實(shí)現(xiàn)探針到阻抗調(diào)諧器之間的連接，電纜及探針的差損影響阻抗調(diào)諧器在探針尖參考端面的阻抗調(diào)諧范圍。由于探針和電纜都不是精確的50Ω阻抗，使得阻抗調(diào)諧器調(diào)諧范圍的中心偏離50Ω阻抗點(diǎn)，如圖4，圖中黑色虛線圓為阻抗調(diào)諧器自身的阻抗調(diào)諧范圍，圖中紅色虛線圓為阻抗調(diào)諧器經(jīng)過電纜到達(dá)探針尖的阻抗調(diào)諧范圍，現(xiàn)實(shí)中很多被測(cè)件的阻抗點(diǎn)很可能在紅色虛線圓與黑色虛線圓之間，因此不能測(cè)量到被測(cè)件的最佳匹配點(diǎn)。

圖4：電纜和探針的差損及駐波對(duì)阻抗調(diào)諧范圍的影響

為了解決在片負(fù)載牽引系統(tǒng)阻抗調(diào)諧范圍不足的問題，通常都是采用混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)，也就是在機(jī)械阻抗?fàn)恳幕A(chǔ)上增加有源阻抗?fàn)恳δ堋Ｈ鐖D5給出的混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)原理框圖，除了兩個(gè)核心的阻抗調(diào)諧器外，需要一臺(tái)高端網(wǎng)絡(luò)分析儀及兩個(gè)雙定向耦合器。

很多網(wǎng)絡(luò)分析儀都內(nèi)置兩個(gè)信號(hào)源及至少四個(gè)接收機(jī)，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一個(gè)信號(hào)源作為前向驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中四個(gè)接收機(jī)用來測(cè)量入射波、反射波及傳輸波：A1、B1、A2和B2，ГLOAD=A2/B2，由于輸出端阻抗調(diào)諧器受探針、電纜及雙定向耦合器差損影響使得在其探針尖參考端面的反射系數(shù)縮小，也就是ГLOAD不能滿足實(shí)際測(cè)試需求；使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的第二個(gè)信號(hào)源在輸出端反向注入一個(gè)信號(hào)，同時(shí)改變其功率和相位，從而間接改變A2信號(hào)的幅度和相位，最終實(shí)現(xiàn)的 ГLOAD的提高，這就是混合型負(fù)載牽引測(cè)量的原理。

在混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)里，機(jī)械阻抗調(diào)諧器充當(dāng)預(yù)匹配的功能。為了減少對(duì)反向注入信號(hào)功率的要求，阻抗調(diào)諧器始終保持與反向注入信號(hào)相位同步。

圖5：混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)原理框圖

由于多工器的帶寬非常窄，寬帶測(cè)量需要頻繁更換多工器，而且市場(chǎng)上沒有成熟的商業(yè)化的多工器，使得混合型諧波牽引功能實(shí)現(xiàn)起來較困難，因此成熟的混合型諧波負(fù)載牽引系統(tǒng)都是在負(fù)載端基波上增加有源牽引功能的諧波牽引系統(tǒng)。

04

探針以及探針臺(tái)

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為了探測(cè)電路性能，我們需要把信號(hào)傳導(dǎo)到某類傳輸線上， 這意味著我們需要至少兩個(gè)導(dǎo)體，即“信號(hào)導(dǎo)體”和“地導(dǎo)體”。因此三種探針類型如圖6所示。

圖6：典型探針類型

除了以上基本的GSG, GS, SG類型的探針，還有各種組合，如GSGSG，GSSG，SGS等等。探針本身需要很好的匹配內(nèi)部不同傳輸媒介的特征阻抗，要求保證在不同傳輸模式下電磁能量的高效傳輸。

而探針臺(tái)可以固定晶圓或芯片，并精確定位待測(cè)物。手動(dòng)探針臺(tái)的使用者將探針臂和探針安裝到操縱器中，并使用顯微鏡將探針尖端放置到待測(cè)物上的正確位置。一旦所有探針尖端都被設(shè)置在正確的位置，就可以對(duì)待測(cè)物進(jìn)行測(cè)試。

負(fù)載牽引系統(tǒng)配置

Tips

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)負(fù)載牽引系統(tǒng)需要以下配置：

SP800P系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是普尚最高性能的綜合微波測(cè)試儀表，具有2或4端口，并可通過多端口擴(kuò)展設(shè)備進(jìn)行端口擴(kuò)展，當(dāng)SP800P系列配置選件 222、224 或 4xx 時(shí)，儀器內(nèi)置第二源，在混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)中滿足實(shí)際測(cè)試需求。如有更多技術(shù)咨詢，歡迎聯(lián)系我們，普尚期待與您的交流！