详解矢量负载牵引技术

由于通信制式越来越复杂,对放大器的线性度和效率要求越来越高。由于放大器的效率和线性度是个永恒的矛盾,所以如何平衡这样的矛盾达到系统设计的最优就是一个需要解决的难题。此时需要通过调节输入和输出端的阻抗,也就是负载牵引(Load-Pull)原理来改善增益压缩点,从而降低谐波的非线性失真,模拟功放的最大输出功率负载点,然后实现高转换效率、高输出功率,高线性功放等目的。

负载牵引方法可以找到让有源器件输出功率最大的输入、输出匹配阻抗。同理也可以得到让功率管效率最高的匹配阻抗。这种方法可以准确地测量出器件在大信号条件下的最优性能,反映出器件输入、输出阻抗随频率和输入功率变化的特性,为器件和电路的设计优化提供了坚实的基础。

什么是负载牵引?

RF功放在大信号工作时,最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而跟着改变,所以我们必须在史密斯圆图上(Smith chart)上,针对不同的输入功率,每给定一个输入功率,画出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线(Power contours),从而帮助我们找出最大输出功率时的最佳负载阻抗,这种方法称为负载牵引(Load-Pull)。

负载牵引系统是改变射频微波器件输入源阻抗和输出负载阻抗的阻抗牵引系统,它可以测量出射频微波器件及功率芯片在不同源阻抗及负载阻抗下的各种工作参数,典型的被测件是功率晶体管、MMIC 及放大器。对于功率晶体管器件,可以测量出在最大输出功率、最佳功率附加效率或最佳线性特性下的源端和负载端的最佳阻抗匹配参数,从而优化放大器的设计性能及提高设计效率。

一、标量负载牵引系统

负载牵引系统已经被业界广泛使用 30 多年,大多数负载牵引系统都是使用两个 Tuner 配合信号源、功率计、频谱仪、网络分析仪及一些测试附件,其中网络分析仪只是用来完成对 Tuner 和系统附件 ( 包括夹具 ) 的校准,测量时不再使用网络分析仪,图 1 所示为典型负载牵引系统架构,这种系统配置仍然被很多客户使用,该系统也被称之为标量负载牵引系统。

测量参数包括:Pin,Pout, Gain, PAE 等

主要优势:成本低

图 1:典型负载牵引系统架构

二、矢量负载牵引系统

随着高端网络分析仪的普及,当前很多客户是基于 VNA 矢量接收机外加双定向耦合器及两台Tuner 实现矢量负载牵引测量,我们称之为矢量负载牵引系统,同时也称 LP-Wave 负载牵引系统。

矢量负载牵引系统是基于 VNA 的一种新颖的测量方法,与传统负载牵引测试系统不同的是在输入 Tuner 的后面和输出 Tuner的前面增加了两个低损耗的双定向耦合器,从而可以测量被测件的入射波、反射波和输出波,通常称之 A1、B1、A2 和 B2(见图2)。基于 A1、B1、A2 和 B2 参数,不仅可以非常方便地计算出被测件的 ΓS 和 ΓL、 真正的 PAE、AM-PM,和扩展为混合型负载牵引系统提高反射系数,而且还可以实现动态负载线、电压电流时域波形的测量及生成非线性大信号模型。

测量参数包括: Pin, Pout, Gain, PAE , Gamma-In/Out of DUT

主要优势:

1. 基于 VNA 的矢量接收机模式,实时测量 A1、B1、A2和 B2 波。可以精确计算出 ΓS、ΓL、PAE 及 AM-PM 等参数。

2. 测试精度高。第一,高端 VNA 相对于功率计有非常高的动态范围;第二,高端 VNA 不仅可以实现对外围所有测试附件的校准工作,并且支持基于失配误差修正的功率校准技术;第三,阻抗的精度不是取决于机械 Tuner的校准精度,而是取决于网络仪四个接收机的实时测量精度。

3. 维护成本低。简化的测试系统省去了额外的测试仪表,并且使得校准及测试工作异常简单,从而降低系统维护成本。

4. 同时支持负载牵引测试和S参数测试

5. 支持升级到时域和混合型负载牵引测试系统

6. 测试速度快。两个原因,一是 Focus 公司的所有自动化 Tuner 都是支持 iTuner 技术,并且每个 Tuner 内置微处理器及命令语言;二是高端 VNA 代替了传统负载牵引系统里使用的信号源、功率计、频谱仪等仪表,使得测试系统架构简化。

图2:矢量负载牵引系统架构

VNA不仅可以作为激励信号源,也可以提供四个矢量接收机用来测量 A1、B1、A2和B2信号。

图 3:矢量负载牵引测量数据

三、混合型负载牵引系统

针对毫米波频段的被测件,大多数都是在片晶圆器件,因此测量需要探针台,不过探针台对于负载牵引测量而言相当于一个测试夹具,没有严格的要求,但是在系统集成及探针台改造是在片系统搭建的一个关键步骤。

通常使用电缆实现探针到阻抗调谐器之间的连接,电缆及探针的差损影响阻抗调谐器在探针尖参考端面的阻抗调谐范围。由于探针和电缆都不是精确的 50 欧姆阻抗,使得阻抗调谐器调谐范围的中心偏离 50 欧姆阻抗点,如图 4,图中黑色虚线圆为阻抗调谐器自身的阻抗调谐范围,图中红色虚线圆为阻抗调谐器经过电缆到达探针尖的阻抗调谐范围,现实中很多被测件的阻抗点很可能在红色虚线圆与黑色虚线圆之间,因此不能测量到被测件的最佳匹配点。

图 4 电缆和探针的差损及驻波对阻抗调谐范围的影响

为了解决在片负载牵引系统阻抗调谐范围不足的问题,通常都是采用混合型负载牵引系统,也就是在机械阻抗牵引的基础上增加有源阻抗牵引功能。如图5 给出的混合型负载牵引系统原理框图,除了两个核心的阻抗调谐器外,需要一台高端网络分析仪及两个双定向耦合器。

很多网络分析仪都内置两个信号源及至少四个接收机,使用网络分析仪的第一个信号源作为前向驱动信号,其中四个接收机用来测量入射波、反射波及传输波:A1、B1、A2 和 B2,ГLOAD=A2/B2,由于输出端阻抗调谐器受探针、电缆及双定向耦合器差损影响使得在其探针尖参考端面的反射系数缩小,也就是 ГLOAD 不能满足实际测试需求;使用网络分析仪的第二个信号源在输出端反向注入一个信号,同时改变其功率和相位,从而间接改变 A2 信号的幅度和相位,最终实现的 ГLOAD 的提高,这就是混合型负载牵引测量的原理。

在混合型负载牵引系统里,机械阻抗调谐器充当预匹配的功能。为了减少对反向注入信号功率的要求,阻抗调谐器始终保持与反向注入信号相位同步。

图 5:混合型负载牵引系统原理框图

由于多工器的带宽非常窄,宽带测量需要频繁更换多工器,而且市场上没有成熟的商业化的多工器,使得混合型谐波牵引功能实现起来较困难,因此成熟的混合型谐波负载牵引系统都是在负载端基波上增加有源牵引功能的谐波牵引系统。

四、探针以及探针台

为了探测电路性能,我们需要把信号传导到某类传输线上, 这意味着我们需要至少两个导体,即“信号导体”和“地导体”。因此三种探针类型如图:

图6:典型探针类型

除了以上基本的GSG, GS, SG类型的探针,还有各种组合,如GSGSG,GSSG,SGS等等。探针本身需要很好的匹配内部不同传输媒介的特征阻抗,要求保证在不同传输模式下电磁能量的高效传输。

而探针台可以固定晶圆或芯片,并精确定位待测物。手动探针台的使用者将探针臂和探针安装到操纵器中,并使用显微镜将探针尖端放置到待测物上的正确位置。一旦所有探针尖端都被设置在正确的位置,就可以对待测物进行测试。

综上所述,要实现负载牵引系统需要以下配置

负载牵引系统配置:

SP800P系列矢量网络分析仪是普尚最高性能的综合微波测试仪表,具有2或4端口,并可通过多端口扩展设备进行端口扩展,当SP800P系列配置选件 222、224 或 4xx 时,仪器内置第二源,在混合型负载牵引系统中满足实际测试需求。如有更多技术咨询,欢迎联系我们,普尚期待与您的交流!