了解負載牽引系統：被動(dòng)和主動(dòng)調諧器

在本文中，我們探討了最常用于負載牽引測量的阻抗調諧器的類(lèi)型——它們的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及合成阻抗的方法。

負載牽引測量是一種通用的技術(shù)，可用于表征任何非線(xiàn)性射頻設備的不同性能指標。正如我們在上一篇文章中所討論的，這種技術(shù)的一個(gè)常見(jiàn)應用是確定功率放大器（PA）的恒定輸出功率和效率的輪廓。

在當今競爭激烈的市場(chǎng)中，負載牽引測量是一種標準和基本技術(shù)，可以最大限度地發(fā)揮射頻設備的性能。例如，負載牽引數據可以幫助我們將智能手機功率放大器的效率提高20%。這將使設備的電池供電使用時(shí)間延長(cháng)相同的百分比，并對客戶(hù)的體驗和滿(mǎn)意度產(chǎn)生巨大影響。為了進(jìn)行這些測量，我們使用負載牽引系統。

術(shù)語(yǔ)“負載牽引系統”是指一種測試設置，它允許我們系統地調整呈現給DUT（被測設備）的負載阻抗，以便我們可以在不同的負載條件下測量DUT的性能。圖1中示出了一個(gè)基本的負載牽引系統。

基本負載牽引系統圖。

圖1.基本負載牽引系統。圖片由Steve Arar提供

正如我們所看到的，可調匹配網(wǎng)絡(luò )被用來(lái)“拉動(dòng)”終端阻抗，使其遠離標準50Ω負載。使用這種設置，可以在非匹配的大信號條件下對器件性能進(jìn)行實(shí)驗性表征。調諧器也可以用于輸入端，用于源拉測量或提供50Ω源阻抗（圖2）。

在輸入和輸出端都使用調諧器的測試設置圖。

圖2:在輸入和輸出端都帶有調諧器的基本測試設置。圖片由Steve Arar提供

雖然概念上很簡(jiǎn)單，但負載牽引測量在執行上可能具有挑戰性。這就是為什么今天的自動(dòng)負載牽引系統可以快速表征射頻設備的大信號行為，比上面提供的基本圖要復雜得多。

根據阻抗合成方式的不同，我們可以將調諧器分為無(wú)源、有源或混合型。阻抗合成方法是實(shí)現負載牽引系統時(shí)需要考慮的最重要方面之一。這種設計選擇會(huì )影響多個(gè)性能維度，包括：

可實(shí)現的阻抗范圍。

功率范圍。

支持的帶寬。

諧波調諧能力。

測量速度。

在本文的其余部分，我們將研究被動(dòng)和主動(dòng)負載牽引系統的運作方式，以及每種類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，我們將簡(jiǎn)要介紹混合調諧器，它結合了被動(dòng)和主動(dòng)調諧方法。

無(wú)源調諧器

無(wú)源調諧器使用機械可調結構來(lái)調整負載終端。圖3顯示了最常見(jiàn)的無(wú)源調諧器類(lèi)型——“滑動(dòng)螺釘”調諧器。

從末端和側面看，滑動(dòng)螺桿調諧器的動(dòng)作。

圖3.滑動(dòng)螺桿調諧器的端視圖和側視圖。圖片由Maury Microwave提供

滑動(dòng)螺釘調諧器由一個(gè)金屬探頭組成，該探頭與中心導體之間的距離可調。調節提供了上圖所示的Y方向運動(dòng)。探頭還安裝在沿著(zhù)中心導體在X方向上移動(dòng)的托架上。這種二維運動(dòng)使得可以調節負載反射系數的幅值和相位角。

由于其在Y方向上的運動(dòng)，探頭充當具有可調電納的分流短截線(xiàn)。電納的值取決于探頭與中心導體的位移比和工作頻率。

正如我們所料，當探頭完全縮回時(shí)，對線(xiàn)路阻抗的影響最小。將探頭靠近線(xiàn)路會(huì )增加波反射，這表現為產(chǎn)生的反射系數的振幅增加。

隨著(zhù)探頭靠近中心導體，反射系數的幅度會(huì )增大。然而，探頭與中心導體之間的物理接觸是不理想的，它會(huì )導致直流短路和嚴重的物理?yè)p壞。調諧器中裝有限位開(kāi)關(guān)，以防止這種情況發(fā)生。

雖然探頭的Y方向位置決定了反射系數的幅度，但探頭的縱向位置會(huì )影響反射系數的相位角。如圖4所示。

圖表顯示了滑動(dòng)螺桿調諧器探頭在X和Y方向上的移動(dòng)。

圖4.滑動(dòng)螺桿調諧器探頭的X和Y方向運動(dòng)。圖片由Maury Microwave提供

在一階近似下，反射系數的相位與探頭的X方向位置成線(xiàn)性正比。為了實(shí)現相位角的360度調整，調諧器的長(cháng)度必須在感興趣的頻率處大于或等于λ/2。換句話(huà)說(shuō)，調諧器的長(cháng)度指定了調諧器的最小工作頻率。二維機械運動(dòng)的電學(xué)結果幾乎獨立，這使得使用這些調諧器更容易。

探頭設計分為兩類(lèi)：

接觸探頭，其設計用于接觸結構的墻壁。

非接觸式探頭，在離墻壁很小的距離內移動(dòng)。

接觸式探頭在最大VSWR條件下通常不會(huì )出現共振，這種情況發(fā)生在探頭距離中心導體最短距離時(shí)。然而，非接觸式探頭可以提供更高的可重復性和長(cháng)期可靠性。

最后，值得一提的是，一些調諧器使用兩個(gè)或多個(gè)探頭，用于粗略/精細阻抗調諧，并可能實(shí)現對諧波頻率的粗略控制。

手動(dòng)與自動(dòng)滑動(dòng)螺桿調諧器

在如圖5所示的手動(dòng)滑動(dòng)螺釘調諧器中，必須手動(dòng)放置探頭。

手動(dòng)滑動(dòng)螺釘調音器。

圖5.手動(dòng)滑動(dòng)螺釘調諧器。圖片由Maury Microwave提供

還有一種滑動(dòng)螺釘調諧器，它通過(guò)使用精密步進(jìn)電機來(lái)設置探頭位置，從而自動(dòng)化了這一過(guò)程。通過(guò)這種方式，自動(dòng)調諧器可以減少調諧時(shí)間，并保證位置的可重復性，具有較高的精度。圖6展示了一個(gè)使用兩個(gè)自動(dòng)滑動(dòng)螺釘調諧器的測試設置。

一種在射頻電路的源端和負載端都使用自動(dòng)滑動(dòng)螺釘調諧器的測試設置。

圖6. 在射頻電路的源端和負載端使用自動(dòng)滑動(dòng)螺釘調諧器的測試設置。圖片由羅德與施瓦茨公司提供

滑動(dòng)螺釘調諧器的自動(dòng)化版本使我們能夠表征負載牽引系統，并將散射參數與探頭的不同位置設置相關(guān)聯(lián)。這些數據存儲在查找表中，幫助我們快速找到給定阻抗的正確位置。

滑動(dòng)螺桿調諧器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

即使在自動(dòng)化的情況下，被動(dòng)的機械調諧過(guò)程仍然比我們在下一節討論的主動(dòng)回路方法慢。損耗是另一個(gè)問(wèn)題，因為滑動(dòng)螺釘調諧器的探頭即使完全縮回也會(huì )造成輕微的衰減。測量設置的其他組件，如電纜和晶圓探針，也會(huì )增加整體衰減。

入射能量的一部分會(huì )以熱能的形式浪費掉，調諧器也無(wú)法將所有輸入能量反射回去。因此，調諧器可實(shí)現的最大反射系數可能小于1。這限制了調諧器可以產(chǎn)生的最大VSWR。

僅考慮調諧器損耗，合成反射系數的幅度可以從大約0.9（在幾GHz）變化到0.6（在幾十GHz）。由于趨膚效應，導體損耗隨頻率增加而增加。

換句話(huà)說(shuō)，使用滑動(dòng)螺釘調諧器，我們可能無(wú)法產(chǎn)生非常接近史密斯圓圖邊緣的反射系數（圖7）。當表征需要非常低阻抗以最佳方式運行的設備（如PA）時(shí)，無(wú)源調諧器的有限調諧范圍可能是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。

顯示滑動(dòng)螺釘調諧器最大VSWR的史密斯圓圖。它沒(méi)有完全達到史密斯圓圖的邊緣。

圖7.滑動(dòng)螺釘調諧器的最大VSWR沒(méi)有完全達到史密斯圓圖的邊緣。圖像由John F. Sevic提供

盡管存在這些缺點(diǎn)，機電無(wú)源調諧仍然是使用最廣泛的阻抗合成方法之一。無(wú)源調諧器簡(jiǎn)單、魯棒且成本低。與有源調諧器相比，無(wú)源調諧器更容易創(chuàng )建適用于高功率、高頻設備的調諧器。

主動(dòng)調諧器

為了避免我們上面描述的損失，有源調諧器使用不同的技術(shù)來(lái)產(chǎn)生所需的反射系數。有源調諧器產(chǎn)生適當的輔助信號并將其注入DUT的輸出端口，產(chǎn)生所需的負載條件。

圖8顯示了這一想法的基本實(shí)現。這種配置有時(shí)被稱(chēng)為前饋有源環(huán)路阻抗合成架構。

前饋有源回路阻抗合成架構圖。

圖8 前饋有源回路阻抗綜合架構。圖片由V. Teppati提供

在圖8中，源信號被分成兩條不同的路徑：

一個(gè)用于驅動(dòng)DUT的輸入端口。

另一個(gè)饋入可變衰減器和移相器，以合成行波，最終注入DUT的輸出端口。

該電路的有效負載反射系數為：

其中a2是注入信號，b2是輸出波。

如果我們增加衰減，注入信號會(huì )下降，導致反射系數變小。由于我們可以任意調整注入波的振幅，我們可以產(chǎn)生幅度等于甚至大于1的反射系數。這使得有源阻抗合成非常適合探針和電纜損耗很大的情況，例如晶片上、毫米波應用。

請注意，反射系數取決于a2和b2。僅僅擁有一個(gè)固定的a2值并不能保證不變的ΓL，因為其他參數（如源提供的功率或源阻抗）仍然會(huì )影響b2。例如，當測量涉及掃描輸入功率時(shí)，可能會(huì )出現這種情況。

改變DUT的工作條件，包括溫度，也會(huì )改變輸出波。應不斷調整衰減器設置以進(jìn)行補償。

連續調整衰減和相移設置是一個(gè)固有的迭代過(guò)程，可能會(huì )變得非常耗時(shí)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以使用如圖9所示的反饋有源環(huán)路阻抗合成架構。

反饋有源回路阻抗合成架構圖。

圖9.反饋有源回路阻抗綜合架構。圖片（修改）由V. Teppati提供

在這種情況下，晶體管的輸出波被相移、幅度調整，并最終注入到設備的輸出端口。因此，合成反射系數的幅度與反饋路徑的環(huán)路增益成正比。由于反射信號（a2）來(lái)自輸出信號（b2），理想情況下，合成反射系數不應隨輸入驅動(dòng)或DUT的工作條件而變化。

主要的缺點(diǎn)是在反饋路徑的單位回路增益具有360度相移的頻率下可能發(fā)生振蕩。為了避免振蕩，我們可以向回路中添加高選擇性的釔鐵石榴石（YIG）濾波器，從而控制回路增益。然而，YIG調諧和控制并不是一件容易的事，并且會(huì )增加測試臺的復雜性。

主動(dòng)調諧器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

如上所述，有源調諧器可以在史密斯圓圖上創(chuàng )建任何反射系數的值。由于有源調諧器的調諧是一個(gè)電子過(guò)程，而不是機械過(guò)程，因此相對較快。

然而，這些設備通常比無(wú)源設備更大、更昂貴。此外，有源調諧器的VSWR和頻率范圍取決于反饋路徑PA的性能，特別是其峰值包絡(luò )功率能力。因此，為更高頻率、更高功率創(chuàng )建有源調諧器可能很困難。

總結：混合調音器

在本文中，我們討論了被動(dòng)和主動(dòng)阻抗調諧器。在得出結論之前，值得注意的是混合調諧器的存在，它將被動(dòng)調諧器和主動(dòng)調諧器組合成一個(gè)設備。被動(dòng)調諧器充當粗調元件，而主動(dòng)調諧器充當細調元件。

混合調諧器可以合成比無(wú)源元件更高的反射系數，同時(shí)需要比有源調諧器更低的注入功率。然而，它是否是更好的選擇取決于具體的應用和要求。