負(fù)載牽引的基礎(chǔ)知識(shí)

1、負(fù)載牽引的基礎(chǔ)知識(shí)負(fù)載牽引，百度百科的解釋是醬紫滴：負(fù)載牽引方法可以通過不斷調(diào)節(jié)輸入和輸出端的阻抗，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(zhǔn)確地測(cè)量出器件在大信號(hào)條件下的最優(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)。圖一、負(fù)載牽引系統(tǒng)示例暈？嘿嘿，估計(jì)是有點(diǎn)。來個(gè)白話版：由于通信制式越來越復(fù)雜，對(duì)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(gè)永恒的矛盾（射頻君在前面的放大器科普中講過，沒看過的同學(xué)可以復(fù)習(xí)放大器歷史文章系列），所以如何平衡這樣的矛盾達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、的最優(yōu)就是一個(gè)需要解決的難題。如何解決？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，模擬功放的最大輸出功率負(fù)載點(diǎn)，然后？然后傳說中的高轉(zhuǎn)換效率、高輸出功率，高線性功放目標(biāo)就在眼前了哈！那神功究竟是如何煉成的呢？且聽我們一步步詳解。RF功放在大信號(hào)工作時(shí)，最佳負(fù)載阻抗會(huì)隨著輸入信號(hào)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(duì)不同的輸入功率，每給定一個(gè)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)，從而幫助我們找出最大輸出功率時(shí)的最佳負(fù)載阻抗，這種方法稱為負(fù)載牽引L

3、oad-Pull。以典型的晶體管設(shè)計(jì)為例，首先大家會(huì)如何來做阻抗匹配？當(dāng)然是借助傳說中的ADS等仿真工具。由于晶體管工作在接近飽和區(qū)和線性區(qū)交界時(shí)，它的AC Load Line會(huì)隨著輸入信號(hào)的增加而改變，尤其S21參數(shù)會(huì)隨著輸入信號(hào)的增加而變小，因此轉(zhuǎn)換功率增益會(huì)因?yàn)榫w管工作在飽和區(qū)被壓縮（傳說中的功率壓縮的概念由此得來）。因此，原來的晶體管在小信號(hào)狀態(tài)下，輸入/輸出端都是設(shè)計(jì)在共軛匹配的。增益最大化的情況下，如果一旦晶體管位于飽和區(qū)工作的時(shí)候，輸出功率的最佳負(fù)載阻抗匹配點(diǎn)就會(huì)變動(dòng)，所以晶體管就無法得到最大的功率輸出。我們需要借助仿真軟件，以Load-Pull的原理有規(guī)則地搜索史密斯圖上的每

4、個(gè)區(qū)域，找出功率放大器最大功率輸出時(shí)的最佳外部負(fù)載阻抗ZL點(diǎn)。這個(gè)模擬系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：分別是負(fù)載阻抗調(diào)節(jié)及阻抗匹配之參數(shù)提?。?）負(fù)載阻抗調(diào)節(jié)：用極坐標(biāo)表示法有規(guī)則地在史密斯圖(Smith chart)上的每一點(diǎn)進(jìn)行模擬，借由模擬不同的外部負(fù)載ZL所對(duì)應(yīng)的輸出功率結(jié)果，就可以得到放大器最大輸出功率時(shí)負(fù)載阻抗在史密斯圖上的位置，于是最佳負(fù)載發(fā)射系數(shù)點(diǎn)此L就得到了。由L的值可得知最佳外部阻抗ZL，並作輸出阻抗匹配。那么具體這個(gè)負(fù)載阻抗調(diào)節(jié)系統(tǒng)是如何組成的呢？a)移相器其功能在于模擬等原圖(e- j2)上之角調(diào)整(等同加上一段點(diǎn)長(zhǎng)度為的傳輸線)，如圖二所示：圖二、仿真軟件中的移相器(b)變壓器(T

5、ransformer)：其功能在于模擬最佳負(fù)載阻抗點(diǎn)所對(duì)應(yīng)圓大小，必須搭配一個(gè)Parameter sweep模擬器來做n值的控制變化。2）阻抗匹配之參數(shù)提?。喝鐖D三所示，位于功率器件的輸出端和負(fù)載阻抗調(diào)節(jié)器中間，當(dāng)負(fù)載阻抗調(diào)節(jié)器做任意改變時(shí)，可由此提取器讀S-Parameter之值，并求得負(fù)載輸入端的反射系數(shù)。圖三、阻抗匹配的參數(shù)匹配器仿真出來以后，還是理論值怎么辦？這個(gè)時(shí)候我們強(qiáng)大的Loading Pulling 系統(tǒng)（當(dāng)然核心是我們的阻抗調(diào)節(jié)器Tuner）就要出場(chǎng)了。Load-Pull測(cè)試系統(tǒng)是驗(yàn)證功率放大器阻抗匹配最精準(zhǔn)且最完整的測(cè)試平臺(tái)，結(jié)構(gòu)圖如下圖四所示。此測(cè)量平臺(tái)包括：調(diào)節(jié)器Tun

6、er System、信號(hào)SG、功率計(jì)Power Metter、矢網(wǎng)VNA、Bias System偏置系統(tǒng)等而組成，幾乎兼具基礎(chǔ)所有參數(shù)的測(cè)試功能，如DC-IV曲線、S-Parameter、Power、Noise、IMD、ACPR等。圖四、Load-Pull SNP 系統(tǒng)示意圖我們就可以根據(jù)改變偏置電壓以及調(diào)整Tuner對(duì)應(yīng)的匹配阻抗，觀察輸出功率及效率的變化。上圖中的電纜、連接器、阻抗調(diào)節(jié)器等組件，在系統(tǒng)測(cè)量前都必須將他們的S參數(shù)測(cè)出來，輸入測(cè)量系統(tǒng)的軟件中，從而修正誤差。圖五：DUT端口S-Parameter校準(zhǔn)（即將系統(tǒng)校準(zhǔn)面延伸到DUT端口）圖六、功率校準(zhǔn)上面圖六中可以看出來，整個(gè)系統(tǒng)的

7、插入損耗基本是0.7dB左右（考慮進(jìn)電纜、連接器的影響，這個(gè)插入損耗是接近實(shí)際情況的）。測(cè)量時(shí)通常先將輸入端的Tuner固定在某一阻抗(通常為50?附近)，然后變動(dòng)輸出端的Tuner 的位置以得到最大輸出功率的輸出端負(fù)載阻抗，這個(gè)步驟稱為L(zhǎng)oad-Pull Measurement；再將輸出端Tuner固定在此阻抗位置去變動(dòng)輸入端Tuner以得到最大的功率增益及更高的輸出功率，這個(gè)步驟稱為Source-Pull Measurement，重復(fù) Load-Pull Measurement及Source-Pull Measurement的步驟，來回不停地重復(fù)調(diào)整，找出最佳輸入與輸出阻抗的位置；所以Lo

8、ad-Pull測(cè)量最重要的目 的便是找出最佳負(fù)載阻抗(Optimum load impedance)使功率元件或電路在最低的輸入功率下有 最高的功率輸出。通過Tuner的調(diào)整，我們可以很清楚的從軟件看到在Smith Chart上的等功率曲線（Power Contour)。下面的圖七、八為測(cè)量的Source-Pull Power Contour及Load-Pull Power Contour。圖七、Source-pull Power Contour圖八、Load-pull Power Contour上面兩圖就可以看出來我們的最佳阻抗點(diǎn)了。接著還可以進(jìn)一步做 Power sweep、Bias sweep vs Power 等測(cè)試，如圖九、圖十所示：圖九、Power sweep圖十、Bias sweep vs Power這些附屬測(cè)試值，也可