跟蹤負(fù)載拉移方法研究

　　負(fù)載拉移技術(shù)需要研究有源器件(比如功率晶體管)對(duì)源和負(fù)載阻抗變化的響應(yīng)。負(fù)載拉移系統(tǒng)提供了改變阻抗的途徑，還能針對(duì)最佳大信號(hào)條件表征器件。諧波負(fù)載拉移技術(shù)是基頻負(fù)載拉移測(cè)量的擴(kuò)展，用于研究待測(cè)器件(DUT)在負(fù)載阻抗ZL與基準(zhǔn)測(cè)試頻率和一個(gè)或多個(gè)基頻諧波頻率組合方面的響應(yīng)性能。這種方法經(jīng)常用來(lái)提高高壓縮放大器的效率，或降低工作在功率回退狀態(tài)下的放大器的誤差向量幅度(EVM)。

　　呈現(xiàn)給DUT的阻抗可以用好幾種格式表述：阻抗ZL(包括R+jX)、電壓駐波比VSWR(作為幅度和相位中的復(fù)數(shù))和反射系數(shù)ΓL(作為幅度和相位中的復(fù)數(shù))。把DUT想像成一種雙端口器件(圖1)，出現(xiàn)在DUT上的反射幅度ΓL就只是a2/b2，或反射波和前向行波之比。通用公式可以寫成：

　　Γx，n(fn) = ax，n(fn)/bx，n(fn)

　　在傳統(tǒng)的無(wú)源機(jī)械式調(diào)諧器系統(tǒng)中，反射產(chǎn)生的原因是由于使用金屬探測(cè)器(也稱為調(diào)諧塊)部分中斷了壓風(fēng)管路的電場(chǎng)。探測(cè)器以某一可變的深度插入壓風(fēng)管路;探測(cè)器插入壓風(fēng)管路并中斷電場(chǎng)的深度越深，反射幅度ΓL就越大。沿著厚膜線長(zhǎng)度滑動(dòng)探測(cè)器將改變反射的相位。因此，通過(guò)選擇相對(duì)壓風(fēng)管路合適的探測(cè)器垂直和水平位置，DUT上可以呈現(xiàn)Smith Chart上的任何阻抗。

　　只關(guān)注基頻阻抗的基準(zhǔn)負(fù)載拉移調(diào)諧可以用一個(gè)調(diào)諧探測(cè)器或多個(gè)調(diào)諧探測(cè)器組合實(shí)現(xiàn)。諧波負(fù)載拉移調(diào)諧能夠使用級(jí)聯(lián)或?yàn)V波配置方式組合兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)。

　　在使用無(wú)源機(jī)械調(diào)諧器時(shí)，很明顯a2總是要小于b2，原因是調(diào)諧器的反射限制(不是所有能量都可以被反射)以及DUT和調(diào)諧器之間的損耗(能量在到達(dá)調(diào)諧器時(shí)已有耗散，從而降低了可以被反射的能量值)。假設(shè)ΓL=1左右的諧波阻抗代表理論上理想的端接狀態(tài)，那么使用機(jī)械式調(diào)諧器在DUT參考平面可取得的值范圍應(yīng)在ΓL=0.8和ΓL=0.92之間。

　　在通信和其它系統(tǒng)中越來(lái)越多地使用調(diào)制寬帶信號(hào)對(duì)傳統(tǒng)負(fù)載拉移系統(tǒng)提出了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)負(fù)載拉移系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作在離散頻率，而寬帶信號(hào)所占的頻譜段通常為10MHz或更寬。誠(chéng)然，負(fù)載拉移系統(tǒng)也會(huì)在比如10MHz寬的帶寬上呈現(xiàn)一定的阻抗，雖然與調(diào)諧的中心頻率阻抗值不盡相同。在寬帶信號(hào)的帶寬上可能呈現(xiàn)出巨大差異的阻抗，因?yàn)榘ㄌ綔y(cè)器、電纜、夾具和調(diào)諧器本身在內(nèi)的DUT和阻抗調(diào)諧器之間存在相位延遲。這將導(dǎo)致容易令人誤解的放大器品質(zhì)因數(shù)值，如功率附加效率(PAE)和相鄰?fù)ǖ拦β时?ACPR)，并導(dǎo)致可能令人誤解的功率放大器性能結(jié)果。圖2演示了調(diào)諧阻抗上的相位延遲效應(yīng)。在這個(gè)例子中，2.58MHz帶寬的寬帶信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)非優(yōu)化負(fù)載拉移系統(tǒng)一起使用，產(chǎn)生的相移是3度/MHz或信號(hào)帶寬上的7.74度。對(duì)于具有40MHz帶寬的多通道WCDMA信號(hào)來(lái)說(shuō)，相移將為120度。

　　這種技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械式負(fù)載拉移調(diào)諧器相比有多方面的優(yōu)勢(shì)，包括速度、伽瑪控制和方便集成，尤其在晶圓上的測(cè)試系統(tǒng)中。由于系統(tǒng)采用電氣調(diào)諧方式，沒(méi)有活動(dòng)的機(jī)械部件，因此調(diào)諧過(guò)程相當(dāng)快速。閉環(huán)配置中的放大器可以用來(lái)增加a2，以便ΓL能夠在DUT的參考平面接近單位1。副作用是，由于無(wú)源器件的漏電流在有源閉環(huán)負(fù)載拉移系統(tǒng)中可能出現(xiàn)振蕩。因此需要采用較強(qiáng)的濾波來(lái)減少振蕩發(fā)生的機(jī)會(huì)，因?yàn)檫@種振蕩通常會(huì)使系統(tǒng)接近窄帶。有源方法不能解決機(jī)械式負(fù)載拉移系統(tǒng)的相位延遲問(wèn)題。事實(shí)上，調(diào)諧環(huán)路長(zhǎng)度的增加可能導(dǎo)致相對(duì)DUT參考平面的相位延遲增加。商用閉環(huán)有源負(fù)載拉移系統(tǒng)相移為30度/MHz或信號(hào)帶寬上的77.4度。對(duì)于上述40MHz的WCDMA信號(hào)來(lái)說(shuō)，相移將是1200度。最后，在有源閉環(huán)負(fù)載拉移方法中使用大功率線性放大器可能會(huì)增加相當(dāng)多的系統(tǒng)成本。

　　對(duì)公式ΓL = a2/b2仔細(xì)檢查可以發(fā)現(xiàn)，在分離a2和b2源方面沒(méi)有限制。顯然b2是來(lái)自器件的波，對(duì)它沒(méi)有直接控制。然而，a2不需要是b2的反射信號(hào)，但完全可以是一個(gè)新的信號(hào)。開環(huán)有源負(fù)載拉移依靠外部資源將信號(hào)注入DUT輸出，從而創(chuàng)建a2。簡(jiǎn)單的有源調(diào)諧鏈由信號(hào)源、可變移相器和可變?cè)鲆婕?jí)電路組成(圖4)。內(nèi)置有注入信號(hào)幅度和相移控制功能的商用化信號(hào)發(fā)生器是有源負(fù)載拉移系統(tǒng)的理想選擇。

　　使用有源負(fù)載拉移技術(shù)可以簡(jiǎn)化諧波負(fù)載拉移調(diào)諧，因?yàn)榭梢杂脧?fù)用器合并多條有源調(diào)諧路徑，一個(gè)頻率一條，從而滿足條件Γx，n(fn) = ax，n(fn)/bx，n(fn)。復(fù)用器中固有的任何損耗問(wèn)題可以被每條有源調(diào)諧鏈路中使用的放大器輕松解決。有源開環(huán)系統(tǒng)的好處與閉環(huán)系統(tǒng)類似：快速調(diào)諧，高伽瑪調(diào)諧，方便地與晶圓上測(cè)量系統(tǒng)集成。但開環(huán)系統(tǒng)比閉環(huán)系統(tǒng)有更多的優(yōu)勢(shì)：沒(méi)有反饋路徑，因此不會(huì)出現(xiàn)調(diào)諧環(huán)路振蕩現(xiàn)象。

　　開環(huán)負(fù)載拉移方法的缺點(diǎn)是對(duì)應(yīng)每個(gè)感興趣的阻抗受控頻率有多個(gè)信號(hào)發(fā)生器，會(huì)將實(shí)際開環(huán)系統(tǒng)的功能限制為單頻信號(hào)及其諧波。開環(huán)系統(tǒng)在測(cè)試大功率器件時(shí)還要求大功率放大器達(dá)到理想的反射系數(shù)。然而，與閉環(huán)系統(tǒng)不同，這些放大器不必是線性的，因?yàn)橛脩粢?guī)定的反射系數(shù)可以通過(guò)連續(xù)軟件迭代法達(dá)到。

　　雖然機(jī)械調(diào)諧器簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，也可以處理大功率，但沒(méi)有自然的方法能克服系統(tǒng)中的損耗，這種損耗會(huì)限制可能達(dá)到的ΓL值。雖然開環(huán)有源負(fù)載拉移系統(tǒng)調(diào)諧速度快，可以實(shí)現(xiàn)ΓL = 1，而且集成方便，但它們要求昂貴的頻帶受限放大器。幸運(yùn)的是，一種被稱為混合負(fù)載拉移方法的技術(shù)不僅具有無(wú)源和有源負(fù)載拉移方法的優(yōu)點(diǎn)，還能最大限度地減少兩者的缺點(diǎn)?；旌县?fù)載拉移指的是有源和無(wú)源調(diào)諧在同一系統(tǒng)中的組合。傳統(tǒng)的無(wú)源機(jī)械式調(diào)諧器可以用來(lái)反射基頻處的大功率信號(hào)，允許小得多的有源注入信號(hào)使用小得多的放大器克服損耗，并實(shí)現(xiàn)ΓL = 1。由于諧波頻率的功率電平經(jīng)常遠(yuǎn)小于基頻信號(hào)功率，因此有源調(diào)諧可以使用價(jià)格較低的寬帶放大器實(shí)現(xiàn)ΓL，nf = 1的有源諧波負(fù)載拉移系統(tǒng)。兩種情況下的有源調(diào)諧都只要求低功率電平。

　　Maury Microwave公司與合作伙伴安杰倫科技公司及AMCAD Engineering公司提供可立即使用的開環(huán)有源和無(wú)源-有源混合負(fù)載拉移系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用了安杰倫的PNA-X非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Maury公司的阻抗調(diào)諧器以及ATS和IVCAD軟件平臺(tái)。AMCAD公司的系列PIV脈沖發(fā)生器增加了脈沖偏壓功能。PNA-X非線性VNA為有源負(fù)載拉移提供要求的a2，并提供接收器用于測(cè)量應(yīng)用和發(fā)射的功率。PNA-X的頻率覆蓋范圍是10MHz至50GHz或更高，并提供靈活的測(cè)試裝置用于增加外部元件，如放大器。PNA-X通過(guò)測(cè)量目標(biāo)頻率點(diǎn)的a1、b1、a2和b2波監(jiān)視調(diào)諧后的阻抗，并根據(jù)要求作出校正。即使不調(diào)諧源，a1和b1知識(shí)也能用來(lái)計(jì)算DUT輸入阻抗，并確定輸出到DUT的功率。

　　混合信號(hào)有源負(fù)載拉移是Anteverta Microwave公司發(fā)明并獲得專利的一種形式獨(dú)特的開環(huán)有源負(fù)載拉移，并且只能由Maury Microwave公司在其MT2000系列產(chǎn)品中提供。這種負(fù)載拉