了解負(fù)載牽引系統(tǒng)：被動(dòng)和主動(dòng)調(diào)諧器

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

負(fù)載牽引測量是一種通用的技術(shù)，可用于表征任何非線性射頻設(shè)備的不同性能指標(biāo)。正如我們在上一篇文章中所討論的，這種技術(shù)的一個(gè)常見應(yīng)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(dāng)今競爭激烈的市場中，負(fù)載牽引測量是一種標(biāo)準(zhǔn)和基本技術(shù)，可以最大限度地發(fā)揮射頻設(shè)備的性能。例如，負(fù)載牽引數(shù)據(jù)可以幫助我們將智能手機(jī)功率放大器的效率提高20%。這將使設(shè)備的電池供電使用時(shí)間延長相同的百分比，并對客戶的體驗(yàn)和滿意度產(chǎn)生巨大影響。為了進(jìn)行這些測量，我們使用負(fù)載牽引系統(tǒng)。

術(shù)語“負(fù)載牽引系統(tǒng)”是指一種測試設(shè)置，它允許我們系統(tǒng)地調(diào)整呈現(xiàn)給DUT（被測設(shè)備）的負(fù)載阻抗，以便我們可以在不同的負(fù)載條件下測量DUT的性能。圖1中示出了一個(gè)基本的負(fù)載牽引系統(tǒng)。

基本負(fù)載牽引系統(tǒng)圖。

圖1.基本負(fù)載牽引系統(tǒng)。圖片由Steve Arar提供

正如我們所看到的，可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)被用來“拉動(dòng)”終端阻抗，使其遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)50Ω負(fù)載。使用這種設(shè)置，可以在非匹配的大信號(hào)條件下對器件性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性表征。調(diào)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(diào)諧器的測試設(shè)置圖。

圖2:在輸入和輸出端都帶有調(diào)諧器的基本測試設(shè)置。圖片由Steve Arar提供

雖然概念上很簡單，但負(fù)載牽引測量在執(zhí)行上可能具有挑戰(zhàn)性。這就是為什么今天的自動(dòng)負(fù)載牽引系統(tǒng)可以快速表征射頻設(shè)備的大信號(hào)行為，比上面提供的基本圖要復(fù)雜得多。

根據(jù)阻抗合成方式的不同，我們可以將調(diào)諧器分為無源、有源或混合型。阻抗合成方法是實(shí)現(xiàn)負(fù)載牽引系統(tǒng)時(shí)需要考慮的最重要方面之一。這種設(shè)計(jì)選擇會(huì)影響多個(gè)性能維度，包括：

可實(shí)現(xiàn)的阻抗范圍。

功率范圍。

支持的帶寬。

諧波調(diào)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(fù)載牽引系統(tǒng)的運(yùn)作方式，以及每種類型的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，我們將簡要介紹混合調(diào)諧器，它結(jié)合了被動(dòng)和主動(dòng)調(diào)諧方法。

無源調(diào)諧器

無源調(diào)諧器使用機(jī)械可調(diào)結(jié)構(gòu)來調(diào)整負(fù)載終端。圖3顯示了最常見的無源調(diào)諧器類型——“滑動(dòng)螺釘”調(diào)諧器。

從末端和側(cè)面看，滑動(dòng)螺桿調(diào)諧器的動(dòng)作。

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

滑動(dòng)螺釘調(diào)諧器由一個(gè)金屬探頭組成，該探頭與中心導(dǎo)體之間的距離可調(diào)。調(diào)節(jié)提供了上圖所示的Y方向運(yùn)動(dòng)。探頭還安裝在沿著中心導(dǎo)體在X方向上移動(dòng)的托架上。這種二維運(yùn)動(dòng)使得可以調(diào)節(jié)負(fù)載反射系數(shù)的幅值和相位角。

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

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

隨著探頭靠近中心導(dǎo)體，反射系數(shù)的幅度會(huì)增大。然而，探頭與中心導(dǎo)體之間的物理接觸是不理想的，它會(huì)導(dǎo)致直流短路和嚴(yán)重的物理損壞。調(diào)諧器中裝有限位開關(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(shù)的幅度，但探頭的縱向位置會(huì)影響反射系數(shù)的相位角。如圖4所示。

圖表顯示了滑動(dòng)螺桿調(diào)諧器探頭在X和Y方向上的移動(dòng)。

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

在一階近似下，反射系數(shù)的相位與探頭的X方向位置成線性正比。為了實(shí)現(xiàn)相位角的360度調(diào)整，調(diào)諧器的長度必須在感興趣的頻率處大于或等于λ/2。換句話說，調(diào)諧器的長度指定了調(diào)諧器的最小工作頻率。二維機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電學(xué)結(jié)果幾乎獨(dú)立，這使得使用這些調(diào)諧器更容易。

探頭設(shè)計(jì)分為兩類：

接觸探頭，其設(shè)計(jì)用于接觸結(jié)構(gòu)的墻壁。

非接觸式探頭，在離墻壁很小的距離內(nèi)移動(dòng)。

接觸式探頭在最大VSWR條件下通常不會(huì)出現(xiàn)共振，這種情況發(fā)生在探頭距離中心導(dǎo)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(fù)性和長期可靠性。

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

手動(dòng)與自動(dòng)滑動(dòng)螺桿調(diào)諧器

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

手動(dòng)滑動(dòng)螺釘調(diào)音器。

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

還有一種滑動(dòng)螺釘調(diào)諧器，它通過使用精密步進(jìn)電機(jī)來設(shè)置探頭位置，從而自動(dòng)化了這一過程。通過這種方式，自動(dòng)調(diào)諧器可以減少調(diào)諧時(shí)間，并保證位置的可重復(fù)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(diào)諧器的測試設(shè)置。

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

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

滑動(dòng)螺釘調(diào)諧器的自動(dòng)化版本使我們能夠表征負(fù)載牽引系統(tǒng)，并將散射參數(shù)與探頭的不同位置設(shè)置相關(guān)聯(lián)。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(diào)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(jī)械調(diào)諧過程仍然比我們在下一節(jié)討論的主動(dòng)回路方法慢。損耗是另一個(gè)問題，因?yàn)榛瑒?dòng)螺釘調(diào)諧器的探頭即使完全縮回也會(huì)造成輕微的衰減。測量設(shè)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(fèi)掉，調(diào)諧器也無法將所有輸入能量反射回去。因此，調(diào)諧器可實(shí)現(xiàn)的最大反射系數(shù)可能小于1。這限制了調(diào)諧器可以產(chǎn)生的最大VSWR。

僅考慮調(diào)諧器損耗，合成反射系數(shù)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(yīng)，導(dǎo)體損耗隨頻率增加而增加。

換句話說，使用滑動(dòng)螺釘調(diào)諧器，我們可能無法產(chǎn)生非常接近史密斯圓圖邊緣的反射系數(shù)（圖7）。當(dāng)表征需要非常低阻抗以最佳方式運(yùn)行的設(shè)備（如PA）時(shí)，無源調(diào)諧器的有限調(diào)諧范圍可能是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。

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

圖7.滑動(dòng)螺釘調(diào)諧器的最大VSWR沒有完全達(dá)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(jī)電無源調(diào)諧仍然是使用最廣泛的阻抗合成方法之一。無源調(diào)諧器簡單、魯棒且成本低。與有源調(diào)諧器相比，無源調(diào)諧器更容易創(chuàng)建適用于高功率、高頻設(shè)備的調(diào)諧器。

主動(dòng)調(diào)諧器

為了避免我們上面描述的損失，有源調(diào)諧器使用不同的技術(shù)來產(chǎn)生所需的反射系數(shù)。有源調(diào)諧器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮o助信號(hào)并將其注入DUT的輸出端口，產(chǎn)生所需的負(fù)載條件。

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

前饋有源回路阻抗合成架構(gòu)圖。

圖8 前饋有源回路阻抗綜合架構(gòu)。圖片由V. Teppati提供

在圖8中，源信號(hào)被分成兩條不同的路徑：

一個(gè)用于驅(qū)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(fù)載反射系數(shù)為：

其中a2是注入信號(hào)，b2是輸出波。

如果我們增加衰減，注入信號(hào)會(huì)下降，導(dǎo)致反射系數(shù)變小。由于我們可以任意調(diào)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(shù)。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(yīng)用。

請注意，反射系數(shù)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?yàn)槠渌麉?shù)（如源提供的功率或源阻抗）仍然會(huì)影響b2。例如，當(dāng)測量涉及掃描輸入功率時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)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(yīng)不斷調(diào)整衰減器設(shè)置以進(jìn)行補(bǔ)償。

連續(xù)調(diào)整衰減和相移設(shè)置是一個(gè)固有的迭代過程，可能會(huì)變得非常耗時(shí)。為了解決這個(gè)問題，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(gòu)。

反饋有源回路阻抗合成架構(gòu)圖。

圖9.反饋有源回路阻抗綜合架構(gòu)。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(diào)整，并最終注入到設(shè)備的輸出端口。因此，合成反射系數(shù)的幅度與反饋路徑的環(huán)路增益成正比。由于反射信號(hào)（a2）來自輸出信號(hào)（b2），理想情況下，合成反射系數(shù)不應(yīng)隨輸入驅(qū)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(diào)諧和控制并不是一件容易的事，并且會(huì)增加測試臺(tái)的復(fù)雜性。

主動(dòng)調(diào)諧器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

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

然而，這些設(shè)備通常比無源設(shè)備更大、更昂貴。此外，有源調(diào)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(diào)諧器可能很困難。

總結(jié)：混合調(diào)音器

在本文中，我們討論了被動(dòng)和主動(dòng)阻抗調(diào)諧器。在得出結(jié)論之前，值得注意的是混合調(diào)諧器的存在，它將被動(dòng)調(diào)諧器和主動(dòng)調(diào)諧器組合成一個(gè)設(shè)備。被動(dòng)調(diào)諧器充當(dāng)粗調(diào)元件，而主動(dòng)調(diào)諧器充當(dāng)細(xì)調(diào)元件。

混合調(diào)諧器可以合成比無源元件更高的反射系數(shù)，同時(shí)需要比有源調(diào)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(yīng)用和要求。