矢量負載牽引技術

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由于通信制式越來越復雜，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到系統設計的最優就是一個需要解決的難題。此時需要通過調節輸入和輸出端的阻抗，也就是負載牽引(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載點，然后實現高轉換效率、高輸出功率，高線性功放等目的。

負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。這種方法可以準確地測量出器件在大信號條件下的最優性能，反映出器件輸入、輸出阻抗隨頻率和輸入功率變化的特性，為器件和電路的設計優化提供了堅實的基礎。

什么是負載牽引？

Tips

RF功放在大信號工作時，最佳負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載阻抗，這種方法稱為負載牽引（Load-Pull）。

負載牽引系統是改變射頻微波器件輸入源阻抗和輸出負載阻抗的阻抗牽引系統，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載阻抗下的各種工作參數，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載端的最佳阻抗匹配參數，從而優化放大器的設計性能及提高設計效率。

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標量負載牽引系統

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負載牽引系統已經被業界廣泛使用30多年，大多數負載牽引系統都是使用兩個Tuner配合信號源、功率計、頻譜儀、網絡分析儀及一些測試附件，其中網絡分析儀只是用來完成對 Tuner 和系統附件 ( 包括夾具 ) 的校準，測量時不再使用網絡分析儀，如圖1所示為典型負載牽引系統架構，這種系統配置仍然被很多客戶使用，該系統也被稱之為標量負載牽引系統。

測量參數包括：Pin，Pout, Gain, PAE 等

主要優勢：成本低

圖 1：典型負載牽引系統架構

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矢量負載牽引系統

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隨著高端網絡分析儀的普及，當前很多客戶是基于VNA矢量接收機外加雙定向耦合器及兩臺Tuner實現矢量負載牽引測量，我們稱之為矢量負載牽引系統，同時也稱LP-Wave負載牽引系統。

矢量負載牽引系統是基于VNA的一種新穎的測量方法，與傳統負載牽引測試系統不同的是在輸入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，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，和擴展為混合型負載牽引系統提高反射系數，而且還可以實現動態負載線、電壓電流時域波形的測量及生成非線性大信號模型。

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

主要優勢:

①基于VNA的矢量接收機模式，實時測量A1、B1、A2和B2波。可以精確計算出ΓS、ΓL、PAE及AM-PM等參數。

②測試精度高。第一，高端VNA相對于功率計有非常高的動態范圍；第二，高端VNA不僅可以實現對外圍所有測試附件的校準工作，并且支持基于失配誤差修正的功率校準技術；第三，阻抗的精度不是取決于機械Tuner的校準精度，而是取決于網絡儀四個接收機的實時測量精度。

③維護成本低。簡化的測試系統省去了額外的測試儀表，并且使得校準及測試工作異常簡單，從而降低系統維護成本。

④同時支持負載牽引測試和S參數測試

⑤支持升級到時域和混合型負載牽引測試系統

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，并且每個Tuner內置微處理器及命令語言；二是高端VNA代替了傳統負載牽引系統里使用的信號源、功率計、頻譜儀等儀表，使得測試系統架構簡化。

圖2：矢量負載牽引系統架構

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

圖3：矢量負載牽引測量數據

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混合型負載牽引系統

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

通常使用電纜實現探針到阻抗調諧器之間的連接，電纜及探針的差損影響阻抗調諧器在探針尖參考端面的阻抗調諧范圍。由于探針和電纜都不是精確的50Ω阻抗，使得阻抗調諧器調諧范圍的中心偏離50Ω阻抗點，如圖4，圖中黑色虛線圓為阻抗調諧器自身的阻抗調諧范圍，圖中紅色虛線圓為阻抗調諧器經過電纜到達探針尖的阻抗調諧范圍，現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諧范圍的影響

為了解決在片負載牽引系統阻抗調諧范圍不足的問題，通常都是采用混合型負載牽引系統，也就是在機械阻抗牽引的基礎上增加有源阻抗牽引功能。如圖5給出的混合型負載牽引系統原理框圖，除了兩個核心的阻抗調諧器外，需要一臺高端網絡分析儀及兩個雙定向耦合器。

很多網絡分析儀都內置兩個信號源及至少四個接收機，使用網絡分析儀的第一個信號源作為前向驅動信號，其中四個接收機用來測量入射波、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縮小，也就是ГLOAD不能滿足實際測試需求；使用網絡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，最終實現的 ГLOAD的提高，這就是混合型負載牽引測量的原理。

在混合型負載牽引系統里，機械阻抗調諧器充當預匹配的功能。為了減少對反向注入信號功率的要求，阻抗調諧器始終保持與反向注入信號相位同步。

圖5：混合型負載牽引系統原理框圖

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化的多工器，使得混合型諧波牽引功能實現起來較困難，因此成熟的混合型諧波負載牽引系統都是在負載端基波上增加有源牽引功能的諧波牽引系統。

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探針以及探針臺

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為了探測電路性能，我們需要把信號傳導到某類傳輸線上， 這意味著我們需要至少兩個導體，即“信號導體”和“地導體”。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置在正確的位置，就可以對待測物進行測試。

負載牽引系統配置

Tips

綜上所述，要實現負載牽引系統需要以下配置：

SP800P系列矢量網絡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，并可通過多端口擴展設備進行端口擴展，當SP800P系列配置選件 222、224 或 4xx 時，儀器內置第二源，在混合型負載牽引系統中滿足實際測試需求。如有更多技術咨詢，歡迎聯系我們，普尚期待與您的交流！