矢量負(fù)載牽引技術(shù)

PROSUND

由于通信制式越來越復(fù)雜，對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)計的最優(yōu)就是一個需要解決的難題。此時需要通過調(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，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，然后實現(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)確地測量出器件在大信號條件下的最優(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)計優(yōu)化提供了堅實的基礎(chǔ)。

什么是負(fù)載牽引？

Tips

RF功放在大信號工作時，最佳負(fù)載阻抗會隨著輸入信號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，針對不同的輸入功率，每給定一個輸入功率，畫出在不同負(fù)載阻抗時的等輸出功率曲線(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)，典型的被測件是功率晶體管、MMIC 及放大器。對于功率晶體管器件，可以測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)計性能及提高設(shè)計效率。

01

標(biāo)量負(fù)載牽引系統(tǒng)

PROSUND

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Tuner配合信號源、功率計、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀及一些測試附件，其中網(wǎng)絡(luò)分析儀只是用來完成對 Tuner 和系統(tǒng)附件 ( 包括夾具 ) 的校準(zhǔn)，測量時不再使用網(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)。

測量參數(shù)包括：Pin，Pout, Gain, PAE 等

主要優(yōu)勢：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)

PROSUND

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Tuner實現(xiàn)矢量負(fù)載牽引測量，我們稱之為矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)，同時也稱LP-Wave負(fù)載牽引系統(tǒng)。

矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)是基于VNA的一種新穎的測量方法，與傳統(tǒng)負(fù)載牽引測試系統(tǒng)不同的是在輸入Tuner的后面和輸出Tuner的前面增加了兩個低損耗的雙定向耦合器，從而可以測量被測件的入射波、反射波和輸出波，通常稱之為A1、B1、A2 和 B2（如圖2）?；贏1、B1、A2和B2參數(shù)，不僅可以非常方便地計算出被測件的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)，而且還可以實現(xiàn)動態(tài)負(fù)載線、電壓電流時域波形的測量及生成非線性大信號模型。

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

主要優(yōu)勢:

①基于VNA的矢量接收機(jī)模式，實時測量A1、B1、A2和B2波?？梢跃_計算出ΓS、ΓL、PAE及AM-PM等參數(shù)。

②測試精度高。第一，高端VNA相對于功率計有非常高的動態(tài)范圍；第二，高端VNA不僅可以實現(xiàn)對外圍所有測試附件的校準(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)儀四個接收機(jī)的實時測量精度。

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

④同時支持負(fù)載牽引測試和S參數(shù)測試

⑤支持升級到時域和混合型負(fù)載牽引測試系統(tǒng)

測試速度快。兩個原因，一是Focus公司的所有自動化Tuner都是支持iTuner技術(shù)，并且每個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)里使用的信號源、功率計、頻譜儀等儀表，使得測試系統(tǒng)架構(gòu)簡化。

圖2：矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)架構(gòu)

VNA不僅可以作為激勵信號源，也可以提供四個矢量接收機(jī)用來測量 A1、B1、A2和B2信號。

圖3：矢量負(fù)載牽引測量數(shù)據(jù)

03

混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)

PROSUND

針對毫米波頻段的被測件，大多數(shù)都是在片晶圓器件，因此測量需要探針臺，不過探針臺對于負(fù)載牽引測量而言相當(dāng)于一個測試夾具，沒有嚴(yán)格的要求，但是在系統(tǒng)集成及探針臺改造是在片系統(tǒng)搭建的一個關(guān)鍵步驟。

通常使用電纜實現(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，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)實中很多被測件的阻抗點很可能在紅色虛線圓與黑色虛線圓之間，因此不能測量到被測件的最佳匹配點。

圖4：電纜和探針的差損及駐波對阻抗調(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?。如圖5給出的混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)原理框圖，除了兩個核心的阻抗調(diào)諧器外，需要一臺高端網(wǎng)絡(luò)分析儀及兩個雙定向耦合器。

很多網(wǎng)絡(luò)分析儀都內(nèi)置兩個信號源及至少四個接收機(jī)，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一個信號源作為前向驅(qū)動信號，其中四個接收機(jī)用來測量入射波、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不能滿足實際測試需求；使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的第二個信號源在輸出端反向注入一個信號，同時改變其功率和相位，從而間接改變A2信號的幅度和相位，最終實現(xiàn)的 ГLOAD的提高，這就是混合型負(fù)載牽引測量的原理。

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。為了減少對反向注入信號功率的要求，阻抗調(diào)諧器始終保持與反向注入信號相位同步。

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，寬帶測量需要頻繁更換多工器，而且市場上沒有成熟的商業(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

PROSUND

為了探測電路性能，我們需要把信號傳導(dǎo)到某類傳輸線上， 這意味著我們需要至少兩個導(dǎo)體，即“信號導(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。

而探針臺可以固定晶圓或芯片，并精確定位待測物。手動探針臺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，就可以對待測物進(jìn)行測試。

負(fù)載牽引系統(tǒng)配置

Tips

綜上所述，要實現(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，儀器內(nèi)置第二源，在混合型負(fù)載牽引系統(tǒng)中滿足實際測試需求。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！