說到射頻PA（Power Amplifier，功率放大器）的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，有兩個(gè)名詞經(jīng)常被大家提及：Load-line與Load-pull。在使用中，這兩個(gè)名詞太過常用了，以至于對(duì)這兩個(gè)名詞后面的理論依據(jù)反而討論不多。接下來我們就對(duì)Load-line和Load-pull背后的知識(shí)做一個(gè)討論。

Load-line：負(fù)載線，PA的生命線

Load-line中文名稱為負(fù)載線，是PA設(shè)計(jì)中最為重要的設(shè)計(jì)參考。 對(duì)于PA來說，最重要的目的是進(jìn)行功率有效的放大與輸出，一切的設(shè)計(jì)理念均是為此服務(wù)。此時(shí)，以最大功率“傳輸”為首要目標(biāo)的共軛傳輸無法完成最大功率“輸出”的目的：PA需要實(shí)現(xiàn)的是將射頻功率最大程度的從直流功率中榨取出來，而不是將已經(jīng)產(chǎn)生的信號(hào)傳輸出去。實(shí)現(xiàn)射頻功率最大化輸出用到的就是“最佳負(fù)載匹配”，而不是用來最大化傳輸已有功率的“共軛匹配”。 為了直觀分析PA在不同負(fù)載下的功率輸出，在PA設(shè)計(jì)中就引入了“負(fù)載線（Load-line）”的概念，用以觀測(cè)PA在不同負(fù)載下的射頻電壓與電流擺幅，從而得出不同負(fù)載下的功率輸出，找到最佳負(fù)載。

1.晶體管的DC-IV曲線

PA工作是基于晶體管的特性工作的，所以在討論P(yáng)A的Load-line之前，首先對(duì)晶體管特性做一個(gè)分析。

PA可以采用HBT、MOSFET、pHEMT等多種半導(dǎo)體工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同工藝設(shè)計(jì)在PA的Load-line理論中分析方法基本相同。以下將以射頻PA中最為常用的HBT（Hetero-Junction Bipolar Transistor， 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管）器件為例進(jìn)行分析。

HBT是一種特殊的BJT（Bipolar Junction Transistor，雙極型晶體管），由兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)構(gòu)成。下圖為HBT器件與其所設(shè)計(jì)的放大器的基本結(jié)構(gòu)。

圖：HBT器件及共發(fā)射極放大器基本結(jié)構(gòu)

對(duì)于HBT器件來說，由于Base的小電壓（或電流）可以對(duì)Collector的大電流進(jìn)行控制，所以一個(gè)小的Base輸出信號(hào)，就可以經(jīng)由HBT器件在Collector產(chǎn)生大的輸出信號(hào)，這就是HBT作為放大器的基本原理。

理想情況下，HBT器件在工作中有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

VCE要足夠的大，才能建立起CE之間的電流

VCE足夠大之后，ICE不受VCE控制，只受Base電流IB控制

ICE與IB呈β倍關(guān)系

簡單起見，為了理解這種控制關(guān)系，可以把HBT器件理解為一個(gè)水龍頭，Collector是水龍頭的輸入，Emitter是水龍頭的輸出，而Base是水龍頭的控制：

水壓要足夠大，水龍頭才可以有水流出（VCE要足夠大）

一旦水壓足夠大，水龍頭的出水量就不再由水壓控制，而是由控制龍頭Base控制（ICE不受VCE控制，只受Base電流IB控制）

出水量與龍頭控制間有一個(gè)比例關(guān)系（β倍）

將HBT器件在不同的VCE電壓及不同的IB控制下的ICE在直角坐標(biāo)系中描繪出來，就得到HBT器件的DC-IV曲線（直流DC狀態(tài)下的電流電壓曲線），DC-IV曲線是半導(dǎo)體器件中的重要特性曲線。

圖：將HBT器件理解為“水龍頭”；HBT器件的DC-IV曲線

2.放大器的Load-line

實(shí)際放大器在工作中，需要驅(qū)動(dòng)負(fù)載阻抗。放大器對(duì)負(fù)載阻抗的驅(qū)動(dòng)作用以及其小信號(hào)電路等效如下圖所示。在小信號(hào)等效電路中，HBT可以等效為電流控制電流源。

圖：帶有負(fù)載的放大器基本電路及其小信號(hào)等效模型

考慮負(fù)載

后，在滿足歐姆定律的條件下，

點(diǎn)電壓與電流的相互轉(zhuǎn)換以電阻

為斜率進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。將這種轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)應(yīng)到前節(jié)所述DC-IV曲線上，就得到一根斜率為

的直線，這根線就稱之為此時(shí)放大器的Load-line。Load-line的斜率與負(fù)載呈反比，中文稱為負(fù)載線。

圖：輸出電壓與電流擺幅關(guān)系及Load-line

3.Load-line與輸出功率間的關(guān)系

Load-line之所以重要，是因?yàn)槠渲苯記Q定了放大器最大輸出功率。

為了分析Load-line與輸出功率的定性關(guān)系，在手算直觀分析中，一般以A類放大器進(jìn)行簡化分析。B類、AB類等放大器結(jié)論相同，不過分析過程更為復(fù)雜，若考慮到諧波阻抗、負(fù)載阻抗虛部影響，就需要借助仿真軟件仔細(xì)分析。

對(duì)于匹配到最佳負(fù)載的功率放大器來說，最大輸出功率時(shí)其電壓與電流擺幅均達(dá)到最大，交流峰值分別等于為

，此時(shí)放大器的輸出功率

可以有多種表達(dá)方式，如：

此時(shí)：

并有關(guān)系：

由于在此負(fù)載線下，放大器有最大的輸出功率，所以此負(fù)載線又叫放大器的最佳負(fù)載線：

。對(duì)于某5G PA，以

電壓為例，若目標(biāo)輸出功率為34.5dBm （2.82W），則此時(shí)的最佳值Load-line在：

4.Load-line的阻抗與匹配

通過以上分析，可以得到某5G射頻PA的最佳負(fù)載阻抗約在3.1?左右，在設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)將50?負(fù)載匹配至該目標(biāo)負(fù)載阻抗。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在放大器中的位置與基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖：5G PA的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

5. “高Load-line”與“低Load-line”PA

采用低壓（配合低Load-line）方式設(shè)計(jì)的PA優(yōu)勢(shì)顯而易見：更低工作電壓使得供電只需要Buck電路， 不用 Boost，這樣供電電路會(huì)簡單并且電源轉(zhuǎn)換效率更好。 雖然對(duì)于同樣的輸出功率來說，電壓降低后電流會(huì)升高，但二者乘積相同，總功耗相同。

低壓PA雖然優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)增大。低壓PA所使用的Load-line較低，匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值變大，損耗增加。下表列出了采用4.2V設(shè)計(jì)時(shí)Load-line為3.1?，以此為標(biāo)準(zhǔn)，輸出功率相同時(shí)，3.4V低壓PA的Load-line為2.0?，損耗增加0.08dB，此額外損耗需要在設(shè)計(jì)中予以克服。對(duì)此損耗的克服一般通過優(yōu)化PA設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)。

圖表：同輸出功率，不同電壓及Load-line下，所對(duì)應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)損耗

6. 實(shí)際應(yīng)用中的Load-line

以上分析采用簡單Class A PA進(jìn)行簡化分析，在實(shí)際應(yīng)用中手機(jī)PA通常用Class F，Class AB，ClassE， 和 Doherty等。這些PA需要的最佳負(fù)載可能是復(fù)數(shù)，并且需要考慮諧波負(fù)載，負(fù)載線的表現(xiàn)與Class A PA會(huì)有不同；

以上分析中，最佳負(fù)載線根據(jù)最大功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常PA設(shè)計(jì)需要綜合考慮PAE與ACLR等其他指標(biāo)；

另外，最佳負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)需要綜合考慮阻抗變換比/網(wǎng)絡(luò)元件Q/頻率帶寬三個(gè)要素。

Load-pull：負(fù)載線理論的最佳實(shí)踐

雖然Load-line理論可以對(duì)PA特性進(jìn)行簡單清晰的分析，但在實(shí)際使用中，由于阻抗并非只有實(shí)部，并且加入導(dǎo)通角、匹配網(wǎng)絡(luò)以及諧波影響后會(huì)變的非常復(fù)雜。Load-line理論對(duì)于清晰理解PA的設(shè)計(jì)思路很重要，但在實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用中顯得心余力絀。

于是，Load-pull的概念被引入了進(jìn)來。

說起Load-pull，射頻人都不會(huì)陌生：在每本教科書里都會(huì)提到；Load-pull在Smith圓圖上的等高線（Contour）也是PA設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的必備材料。下圖為典型的Load-pull在Smith圓圖上的結(jié)果呈現(xiàn)。

圖：典型的Load-pull結(jié)果在Smith圓圖上的呈現(xiàn)

相比于“Load-pull”名字的熟悉，大家對(duì)它背后的理論談?wù)撦^少。Load-pull的測(cè)試過程也像是“暴力破解”，好像沒什么理論可依。

不過實(shí)際并非如此，Load-pull背后有詳細(xì)的理論分析，PA屆的大神Cripps于1983年發(fā)表的IEEE MTT-S的論文“A theory for the prediction of GaAs FET Load-pull Power Contours”［2］就曾用純理論的方式對(duì)PA的Load-pull進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過測(cè)試驗(yàn)證，Cripps的理論預(yù)測(cè)完美的匹配了測(cè)試結(jié)果。

圖：Cripps在1983年對(duì)PA Load-pull進(jìn)行的理論預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

接下來，就讓我們沿著Cripps的思路，仔細(xì)理解Load-pull。

1. 什么是Load-pull

Load-pull的中文名翻譯為“負(fù)載牽引”，是指將被測(cè)器件（DUT，Device under Test）的負(fù)載阻抗進(jìn)行遍歷，同時(shí)測(cè)試記錄不同負(fù)載阻抗時(shí)的器件特性，從而得到最優(yōu)阻抗的方法。

在CAD仿真軟件中，Load-pull結(jié)果的獲取較為容易，只需要將DUT的負(fù)載進(jìn)行掃描，就可以繪制出多種多樣的Load-pull圖形，通常幾秒中，就可以將Load-pull結(jié)果掃描出來。下圖為使用ADS軟件進(jìn)行Load-pull仿真以及得到的結(jié)果 ［3］。

圖：采用ADS軟件仿真得到的Load-pull結(jié)果

在實(shí)際測(cè)試中，想要精準(zhǔn)的遍歷各個(gè)阻抗就不如仿真中容易了，需要借助Tuner（阻抗調(diào)諧器）來實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗的控制，Tuner也是整個(gè)Load-pull系統(tǒng)中最為重要的組成部分。Tuner可以理解為阻抗調(diào)諧匹配單元，可以將固定的負(fù)載阻抗有控制的匹配至Smith圓圖上的其他位置。Load-pull測(cè)試系統(tǒng)的原理圖及實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)如下圖所示［4］［5］。

圖：Load-pull測(cè)試系統(tǒng)原理圖 ［4］

2. Load-pull理論

通過對(duì)PA的仿真或測(cè)試，可以得到不同負(fù)載下PA不同輸出功率的等高線圖。為何PA輸出功率會(huì)呈等高線形狀，另外等高線形狀是圓形嗎？等高線一定是閉合的嗎？接下來將進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.1 實(shí)阻抗在Load-pull中的表示

圖：Load-line的負(fù)載與Load-pull的阻抗標(biāo)注

2.2 高Load-line區(qū)：電壓受限；等電導(dǎo)圓上功率不變

即在高Load-line區(qū)，在等電導(dǎo)圓上輸出功率恒定一致。此時(shí)電壓電流波形及在Smith圓圖上的阻抗位置如下圖所示。

圖：高Load-line區(qū)域時(shí)，虛部增加對(duì)電壓電流波形的影響

當(dāng)輸出帶有虛部時(shí)，由于電流受限，采用串聯(lián)等效電路進(jìn)行功率計(jì)算更為方便，將此時(shí)負(fù)載電路等效如下：

圖：用于電流驅(qū)動(dòng)時(shí)的負(fù)載串聯(lián)電路等效

即在低Load-line區(qū)，在等電阻圓上輸出功率恒定一致。此時(shí)電壓電流波形及在Smith圓圖上的阻抗位置如下圖所示。

圖：低Load-line區(qū)域時(shí)，虛部增加對(duì)電壓電流波形的影響

圖：Load-pull曲線的閉合，以及Load-pull的等高線結(jié)果

3. 實(shí)際中的Load-pull

在實(shí)際應(yīng)用中，觀測(cè)到的Load-pull曲線和理論分析曲線可能存在差異，有以下幾點(diǎn)需要注意：

匹配網(wǎng)絡(luò)可能將Load-pull結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移

諧波會(huì)影響Load-pull結(jié)果

以上為等功率圓，實(shí)際應(yīng)用可能是等ACLR圓、等PAE圓，并且信號(hào)為帶有帶寬的調(diào)制信號(hào)

3.1 匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)Load-pull的轉(zhuǎn)移

以上分析均是以PA晶體管輸出平面計(jì)算，由于匹配網(wǎng)絡(luò)及寄生效應(yīng)的影響，在芯片輸出端口觀測(cè)到的Load-pull可能會(huì)有不同。以下為不同平面看到的不同Load-pull示意圖。

圖：PA電路中不同平面觀測(cè)到的Load-pull形狀不同

3.2 諧波對(duì)Load-pull影響

以上分析中均為簡化分析，只考慮基波（Fundamental）阻抗的影響，在PA設(shè)計(jì)中，其他高次諧波，如2f0、3f0等阻抗均會(huì)對(duì)PA功率、效率以及線性度產(chǎn)生影響。考慮諧波影響，Load-pull形狀會(huì)有差異。

3.3 其他指標(biāo)的Load-pull

以上分析針對(duì)PA中最為重要的指標(biāo)：功率的Load-pull進(jìn)行分析，PA的其他指標(biāo)如線性度等，采用帶有帶寬的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，其Load-pull形狀大致相同。一般不會(huì)再針對(duì)其他指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。

總 結(jié)

Load-line與Load-pull是PA設(shè)計(jì)中最重要的兩個(gè)基礎(chǔ)概念，在過去幾十年的射頻PA設(shè)計(jì)中，前人專家也積累了許多經(jīng)典的分析方法。

雖然5G等高階通信協(xié)議的到來對(duì)射頻PA提出了新的要求，近年來也涌現(xiàn)出如低壓PA、高效率PA、高/低Load-line PA等不同PA產(chǎn)品，但射頻PA的一些基礎(chǔ)原理仍然是在PA設(shè)計(jì)中被廣泛遵循的，期待和您一起對(duì)這些基礎(chǔ)原理有更好的理解。