你必须知道的负载牵引的基础知识

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负载牵引,百度百科的解释是酱紫滴:负载牵引方法可以通过不断调节输入和输出端的阻抗,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。

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图一、负载牵引系统示例

  晕?嘿嘿,估计是有点。来个白话版: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(射频君在前面的放大器科普中讲过,没看过的同学可以复习放大器历史文章系列),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。如何解决?调节输入和输出端的阻抗也就是负载牵引 (Load-Pull)原理來改善增益压缩点,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?然后传说中的高转换效率、高输出功率,高线性功放目标就在眼前了哈!

  那神功究竟是如何炼成的呢?且听我们一步步详解。

  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時的等输出功率曲线(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。

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  以典型的晶体管设计为例,首先大家会如何来做阻抗匹配?当然是借助传说中的ADS等仿真工具。

  由于晶体管工作在接近饱和区和线性区交界时,它的AC Load Line会随着输入信号的增加而改变,尤其S21参数会随着输入信号的增加而变小,因此转换功率增益会因为晶体管工作在饱和区被压缩(传说中的功率压缩的概念由此得来)。因此,原来的晶体管在小信号状态下,输入/输出端都是设计在共轭匹配的。

  增益最大化的情况下,如果一旦晶体管位于饱和区工作的时候,输出功率的最佳负载阻抗匹配点就会变动,所以晶体管就无法得到最大的功率输出。我们需要借助仿真软件,以Load-Pull的原理有规则地搜索史密斯图上的每个区域,找出功率放大器最大功率输出时的最佳外部负载阻抗ZL点。

  这个模拟系统包括两个部分:分别是负载阻抗调节及阻抗匹配之参数提取:

  1)负载阻抗调节:用极坐标表示法有规则地在史密斯图(Smith chart)上的每一点进行模拟,借由模拟不同的外部负载ZL所对应的输出功率结果,就可以得到放大器最大输出功率时负载阻抗在史密斯图上的位置,于是最佳负载发射系数点此ΓL就得到了。由ΓL的值可得知最佳外部阻抗ZL,並作输出阻抗匹配。

  那么具体这个负载阻抗调节系统是如何组成的呢?

  a)移相器

  其功能在于模拟等Γ原图(Γe- j2θ)上之θ角调整(等同加上一段点长度為θ的传输线),如图二所示:

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图二、仿真软件中的移相器

  (b)变压器(Transformer):其功能在于模拟最佳负载阻抗点所对应Γ圆大小,必须搭配一个Parameter sweep模拟器來做n值的控制变化。

  2)阻抗匹配之参数提取:如图三所示,位于功率器件的输出端和负载阻抗调节器中间,当负载阻抗调节器做任意改变时,可由此提取器读S-Parameter之值,并求得负载輸入端的反射系数。

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图三、阻抗匹配的参数匹配器

  仿真出来以后,还是理论值怎么办?这个时候我们强大的Loading Pulling 系统(当然核心是我们的阻抗调节器Tuner)就要出场了。

  Load-Pull测试系统是验证功率放大器阻抗匹配最精准且最完整的测试平台,结构图如下图四所示。此测量平台包括:调节器Tuner System、信号SG、功率计Power Metter、矢网VNA、Bias System偏置系统等而组成,几乎兼具基础所有参数的测试功能,如DC-IV曲线、S-Parameter、Power、Noise、IMD、ACPR等。

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图四、Load-Pull SNP 系统示意图

  我们就可以根据改变偏置电压以及调整Tuner对应的匹配阻抗,观察输出功率及效率的变化。上图中的电缆、连接器、阻抗调节器等组件,在系统测量前都必须将他们的S参数测出来,输入测量系统的软件中,从而修正误差。

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图五:DUT端口S-Parameter校准(即将系统校准面延伸到DUT端口)

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图六、功率校准

  上面图六中可以看出来,整个系统的插入损耗基本是0.7dB左右(考虑进电缆、连接器的影响,这个插入损耗是接近实际情况的)。

  测量时通常先将输入端的Tuner固定在某一阻抗(通常為50?附近),然后变动输出端的Tuner 的位置以得到最大输出功率的輸出端负载阻抗,这个步骤称为Load-Pull Measurement;再將输出端Tuner固定在此阻抗位置去变动输入端Tuner以得到最大的功率增益及更高的輸出功率,这个步骤称为Source-Pull Measurement,重复 Load-Pull Measurement及Source-Pull Measurement的步骤,來回不停地重复调整,找出最佳输入与输出阻抗的位置;所以Load-Pull测量最重要的目 的便是找出最佳负载阻抗(Optimum load impedance)使功率元件或电路在最低的輸入功率下有 最高的功率輸出。通过Tuner的調整,我們可以很清楚的从软件看到在Smith Chart上的等功率曲线(Power Contour)。下面的图七、八为测量的Source-Pull Power Contour及Load-Pull Power Contour。

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图七、Source-pull Power Contour

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图八、Load-pull Power Contour

  上面两图就可以看出来我们的最佳阻抗点了。接着还可以进一步做 Power sweep、Bias sweep vs Power 等测试,如图九、图十所示:

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图九、Power sweep

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图十、Bias sweep vs Power

  这些附属测试值,也可以用来更好地帮助我们来做放大器的设计。

  关于Tuner,射频君多说两句,国内基本上常见的品牌是Maury和Focus,类型也有可编程和手动可调型,具体选择就要看应用和预算了。

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一文搞懂天线与阻抗匹配调试方法

通常对某个频点上的阻抗匹配可利用 SMITH 圆图工具进行,两个器件肯定能搞定,即通过串+并联电感或电容即可实现由圆图上任一点到另一点的阻抗匹配,但这是单频的。而手机天线是双频的,对其中一个频点匹配,必然会对另一个频点造成影响,因此阻抗匹配只能是在两个频段上折衷。

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