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矢量負(fù)載牽引系統(tǒng)的優(yōu)勢及儀器配置
閱讀：186 發(fā)布時(shí)間：2024-7-23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(jì)的優(yōu)就是一個需要解決的難題。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大的輸入、輸出匹配阻抗。同理也可以得到讓功率管效率高的匹配阻抗。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？
RF功放在大信號工作時(shí)，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(shí)的等輸出功率曲線(Power contours)，從而幫助我們找出大輸出功率時(shí)的佳負(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，可以測量出在大輸出功率、功率附加效率或佳線性特性下的源端和負(fù)載端的阻抗匹配參數(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)
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(jì)、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(shí)不再使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，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)
隨著網(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(shí)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(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 A1、B1、A2 和 B2（見圖2）?；?A1、B1、A2 和 B2 參數(shù)，不僅可以非常方便地計(jì)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(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)載線、電壓電流時(shí)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(shí)時(shí)測量 A1、B1、A2和 B2 波。可以精準(zhǔn)計(jì)算出 ΓS、ΓL、PAE 及 AM-PM 等參數(shù)。
2、測試精度高。 VNA 相對于功率計(jì)有非常高的動態(tài)范圍；第二， VNA 不僅可以實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)支持負(fù)載牽引測試和S參數(shù)測試
5、支持升級到時(shí)域和混合型負(fù)載牽引測試系統(tǒng)
6、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 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(jì)、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)
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(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準(zhǔn)的 50 歐姆阻抗，使得阻抗調(diào)諧器調(diào)諧范圍的中心偏離 50 歐姆阻抗點(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，因此不能測量到被測件的匹配點(diǎn)。
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(shí)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(shí)改變其功率和相位，從而間接改變 A2 信號的幅度和相位，實(shí)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(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
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：
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，并精準(zhǔn)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。
綜上所述，要實(shí)現(xiàn)負(fù)載牽引系統(tǒng)需要以下配置
