原创 负载牵引 系统介绍和应用

ARGE信号或非线性表征晶体管器件是阻止-在这种非线性中挖掘它们的性能

作为功率放大器（ PAS）的应用，考虑到线性S参数表征技术在这类应用中的局限性..load-pul.和晶体管的优化恶习和射频PAs（ RFPAs）。虽然最初报道的负载拉动装置可以被认为是非常基本的，但它们肯定推进了RPFA的设计和优化的方式[1]-[2] 。在晶体管器件的负载端口上，负载-Pu ll提供了反射系数的测量，因此，它的名称来源于它们。

负载拉是一个俗语，用来系统地改变被测试器件（ 通常是晶体管）的阻抗，以评估其性能和相关条件

在网络中传递该性能。但负荷拉动一词意味着阻抗变化。在负载端口，阻抗也可以在任何一个用于噪声表征的DUT端口需要进行负载拉动

例如：大信号操作与次级方案有关的条件简谐产生或非线性的其他表现。负载挽是全球最常用的射频和微波功放（ PA）设计、晶体管表征、半导体工艺开发和坚固性分析方法。负载拉动的一个中心主题是非线性与非线性的管理非线性分析，后者是高级数学的领域，往往很少对非线性现象产生物理洞察力，并且无法准确地呈现嵌入在具有显著寄生和分布效应的网络中的实际行为。有了一个自动的负载拉动，也可以减少设计周期-时间，以优化设计功率放大器 。

在通用术语中，负载拉动特别是指以精确控制的方式向DUT表示已知的阻抗，以从DUT中提取最佳性能。在负载拉动测量中，通过改变终端阻抗以及频率和偏置来定性地评估最佳性能，以便快速和准确地建立条件，在此条件下，可以从指定的DUT获得最佳性能。

对于PAS，最佳加载条件主要取决于晶体管所表现出的非线性。这些与线性情况有很大的不同，其中最佳加载条件是直接从S参数中识别的。在非线性情况下，负载拉动系统通过阻抗调谐器实验确定合适的阻抗值，同时物理改变负载反射系数，如图所示。1显示了从晶体管器件中提取所需的设计参数。期望的匹配阻抗ZL、入射波和反射行波a2 和b2 在输出端口，以及反射系数\ 642 57 ； EL通过（ 1.1）和（ 1.2 ）中的表达式相关：

负载拉动系统包括：主动或被动推动-调谐器；精确设置调谐器阻抗以达到所需阻抗的控制机制；在DUT的输入端口A1和B1以及输出端口A2 和B2 处测量行波的设备和测试集。

例如，图。1提供了一个概念介绍

图1.图示典型的负载拉动测试设置和描述反射系数综合概念的史密斯图表（ IEEE2010 ， IEEE微波Mag，使用许可，[ 5] ）。

在DUT的输出端口（负载端口）处的无源调谐器。在这样一个假设的理想调谐器中，调谐器的存根/ SLUG/ 探针的垂直运动改变了反射系数（ FixelL）的大小，而水平运动则改变了SereL的相位。因此，通过在垂直和水平方 向上物理移动阻抗调谐器的存根/ SLUG/ 探针，得到了D UT端口上所需的匹配阻抗（ Z L）。

负载拉是一种快速、精确、可靠地确定晶体管器件优化匹配参数的有效工具。例如，图。通过固定基波阻抗（ 使用调谐器）和改变三次谐波阻抗（使用谐波调谐器）， 2 给出了优化1-WAS器件的实验结果。这些数据绝对有助于高性能的PA设计。

正如在最后一节中提到的，负载拉测试设置中使用的阻抗调谐器的类型定义了负载拉的特征和类型。这些调谐器的选择主要取决于所需的测量类型[4] 。例如，在需要高速测量的应用程序中使用基于无源调谐器的负载拉（ 即无源负载拉），而在需要高反射系数值的应用程序中更常使用基于有源调谐器的负载拉（即有源负载拉）。

在理论上，可以执行负载拉动的频率没有物理限制。大多数负载拉动系统都是基于无源分布式网络，无论是在TEM模式下使用平板传输线，还是在TE01模式下使用矩形波导。对于高频和甚高频频率，可以制造集束调谐器

，而有源负载拉是理想的wafer 毫米波环境，其中调谐器和DUT参考平面之间的实质损失限制了使用无源负载拉装置的最大可实现反射系数。

说明前面提到的被动技术，图。3 表明反射系数是通过调谐无源调谐器的相位和/ 或振幅来合成的。被动技术的主要优点是：

图2.从扫描三次谐波反射系数输出基本功率轮廓，同时保持基本阻抗在其最佳值（ 2009 年IEEE）。

◗ 快速阻抗合成，

◗ 相对较高的功率处理能力和测量大功率器件，没有任何非线性效应，

◗ 使用方便，

◗ 维修费用低，

◗ 相对较低的实施成本，以及

◗ 没有任何振荡。

该技术的主要缺点是由于反射系数最大可达幅度的限制而限制了合成阻抗。可以安全地说，任何标准的无源负载拉通常无法合成史密斯图表边界附近的反射系数。因此，不可能合成具有低输出阻抗（ 2 Ω或以下）的DUT的适当匹配阻抗。

主动负载拉动技术，如图所示。四是基于DUT负载端口的信号注入..这些技术可分为开环系统和闭环系统

在Smith 图的边界附近和边界上合成反射系数，因此， 可以合成极小的阻抗来匹配DUT。在两种有源负载拉动技术中，通过控制有源结构周围的复杂增益，在DUT接入平面上合成了反射系数。

在开环主动负载拉动技术的情况下，如图所示。在负载参考平面上，通过控制可变衰减器ATT和移相器DEPH来合成GL，以确定外部注入的行波a2 的大小和相位。合成的反射系数取决于ATT、DEPH和射频发生器的发射功率

。开环主动负载拉设置需要自定义的迭代收敛算法来合成所需的反射系数，因为DUT（发射行波， b2 ）的输出取决于器件的工作条件。这使得对于高测量吞吐量应用程序来说，该技术实际上太慢了。

闭环主动负载拉动，如图所示。克服了有源开环技术所表现出的慢阻抗合成特性..在这种方法中，反射行波a2 是DUT输出（ B2 ）的一种修正形式。因此， b2 中的任何变化都会在a2 中被立即感知，这就放弃了任何收敛算法的需要。在闭环负载拉动技术中，合成的GL取决于环路参数，如放大器增益、衰减器和相移器值。这种设置的主要缺点是由于使用闭环结构而可能发生振荡的风险。这种设置需要一个在反馈回路中具有高增益和高线性的放大器，这绝对是一个附加的约束。在循环中加入一个高度选择性的过滤器可以减轻

图3.无源负载拉动技术的基本表示。

图4.通用设置架构。（ a）主动开环技术。（ b）主动闭环负载拉动技术。

振荡问题在一定程度上增加了设置的复杂性和成本。

Advanced Load-Pull 架构

基于上一节的概念描述的任何负载拉动设置只是略微迎合测量应用的需要。为了使负载拉设置更实用，在原有的负载拉设置体系结构中有了不断的进步。在无源负载拉装置中，为了提高最大可达负载反射系数，对配置进行了重大改变，而在有源负载拉技术中，重点是改进设置，以降低对环路放大器增益的要求。预匹配的负载拉动是最流行的无源负载拉动技术之一.. 在这种方法中，两个称为预匹配和调谐的探针并排放置在中央导体上，如图所示。5 场演出。这两个探测器能够分别产生较小的反射系数，为了获得更高的反射系数，由方程式（ 1.3）给出了一个较高的反射系数。

其中S12 、S21和S22 是预匹配调谐器的S参数。然而，一个实用的、预先匹配的负载拉装置利用了一个低损耗的中心导体；因此，合理地假设S21S12 接近统一。此外，考虑到中心导体不存在不连续性，可以假定S2 2 项接近于零。在这种情况下，由预先匹配的负载拉装置产生的跃层总量可以近似为[3] ：

图中示出了使用（ 1.4 ）的预匹配载拉装置的反射系数合成的概念。5.

图5.一种预配负载拉动系统的机械图纸..（ a）设置方向。（ b）使用预先匹配的负载拉动装置[ 聚焦微波礼数] 分解高反射系数的产生。

最初，预匹配探针将匹配条件从50 Ω（在史密斯图表的中心）移动到史密斯图表的其他期望区域。预匹配探针的这个位置定义了预匹配探针的反射系数，如图所示。调谐探针在水平和垂直位置的移动，然后产生调谐探针的反射系数，即\ 64257 ； erProbe，其矢量加法与\ 64 257 ； er Pre匹配导致整体合成的\ 64257 ； lterTotal 。对于调谐探针的某些水平和垂直位置，总体合成的反射系数达到最高值，用\ 64257 ； ermax表示。

在一些要求阻抗小于一欧姆的应用程序中，预匹配技术仍然受到限制，因为这种方法中的最大可实现调谐范围由适配器和托管DUT的相关夹具的插入损耗降低。值得注意的是，在许多需要高反射系数的负载拉装置的大功率DUT的基本特性中，已知近似的最优阻抗。在这种应用中，由于DUT之间的阻抗变换网络，调谐器相对于预先匹配的负载拉装置具有显著的优势。四分之一波（\ 6

4257 ；阳离子/ 4 ）变压器技术是一种这样的方法，其中一个\ 64257 ； Ned/ 4 阻抗变压器被纳入DUT和调谐器之间，如图所示。6 个节目。原则上，这是一种特殊类型的预配负载拉系统，其中预配是固定的，并由him/ 4 阻抗变压器提供..在四分之一波变压器技术中， him/ 4 阻抗变压器将匹配的阻抗环境从50 Ω（点‘ a’）移动到其他较小的值（点‘ c’），如图所示。6 个节目。在点‘ c’的匹配条件导致了一个增强的调谐范围，尽管减少了史密斯图表的覆盖范围。应该记住，通常没有任何测量应用程序需要完整的史密斯图表覆盖，因此，减少史密斯图表覆盖并不是一个严重的问题。另一个值得注意的要点是图中的50 Ω线。需要6 提供四分之一波变压器和负载拉调谐器之间的匹配。

预配和四分之一波阻抗变压器的负载拉装置基本上满足了基本负载拉测量的需要。然而， PA设计的最新趋势需要对DUT进行多次谐波表征，这显然需要谐波负载拉测试装置。四分之一波阻抗变换网络，带宽只有载波频率的5%到10%左右，防止谐波负载拉应用。这一限制可以通过用宽带阻抗变压器取代四分之一波变压器来克服， 例如在DUT和调谐器之间的带宽从几个100MHz 到12G Hz[5] 的“ Klopfenstein ”锥度，如图所示。7.宽带阻抗变压器确实随着阻抗变换比的增加而减少了Smith 图的覆盖范围，如图所示。7.在此设置中， 50 Ω线路匹配负载-拉到阻抗变压器，而线路担架提供DUT（阻抗Zd） 和阻抗变压器之间的必要匹配。

重要的是要注意的是，阻抗变压器的加入是有益的被动和主动的负载拉装置。在无源负载拉中引入阻抗变压器可以提高反射系数调谐范围，而在有源负载拉中引入这种变压器则降低了对环路放大器实现高反射系数的严格要求。在许多应用中，使用一种无源阻抗调谐器和有源负载拉，称为混合负载拉装置，以实现所需的负载拉功能。混合负载拉动装置基本上可以满足所有的测量需求。

最近在被动和主动负载拉动技术[6]-[12] 方面都有了一些进展。其中一种改进被称为增强环路无源负载拉动技术。它由阻抗调谐器和无源回路组成，如图所示。8 个节目。阻抗调谐器， LP调谐器，是一个标准的低损耗无源调谐器，而无源回路是使用高方向循环器和耦合器。

图6.四分之一波变换技术的图案表示（ IEEE2011 ， IEEE微波Mag.，经许可使用，[5] ）。

图7.基于宽带阻抗变压器的负载拉装置的概念表示（ IEEEE2010 ， IEEE微波Mag.，经许可使用，[5] ）。

在这种技术中，被动环首先通过受电缆L2 长度和探针在阻抗调谐器中的位置调节的Sere BLOOP将匹配点从50 Ω 移动到更远的地方。然后，阻抗调谐器将其对无源回路产生的反射系数的贡献相加，以合成负载参考平面上的高反射系数。在（ 1.5 ）中的表达式清楚地确定了在负载参考平面上合成的反射系数-压力矩-对阻抗调谐器和无源回路的贡献的依赖性：

术语SpelseLOOP是由无源回路产生的反射系数，是一个依赖于回路分量特性的复杂项，即。的传播因子。耦合器和循环器，行波的相位速度β，以及环路L2 的长度。回路的长度，因此，反射系数可以通过使用适当长度的电缆来改变。实验已经确定，只有三种不同长度的L2 电缆可以覆盖整个史密斯图表。只需要三根不同的电缆，与预先匹配的负载拉动技术相比，增强回路负载拉动系统的校准和测量时间减少，其中调谐器需要单独的预定性来覆盖任何指定的DUT所需的史密斯图表区域。此外，使用增强环路负载拉设置的最大可合成反射系数高于使用最新的最大值-最先进的预匹配负载拉系统，如图所示。8 个节目。

第二个有趣和有用的进展是包络负载拉动，这是闭环主动负载拉动应用之一，如图所示。9.包络负载拉动克服了与闭环主动相关的振荡

图8.框图。（ a）增强环路负载拉调器。（ b）使用增强环路负载拉力和最新的商业预先匹配负载拉力装置的最大可实现反射系数的比较（ IEEE2010 ， IEEE微波Mag.，经许可使用，[5] ）。

图9.一种通用的活动包络负载拉技术的设置体系结构。

负载拉动技术。位于

根据（ 1.7）中给出的表达式，该技术中的负载参考平面与外部控制变量X和Y直接相关：

在这种技术中， DUT输出（ B2 ）通过正交解调器向下转换到其基带分量。然后由控制变量X和Y对b2 的基带分量进行修改，并通过正交调制器将其上转换为载波频率

。然后，由环路放大器适当地增强修改和上转换信号， 以形成反射的行波a2 。从那个阶段开始反射波A2 的经度修正，在该技术中发生在基带，绝对不存在射频振荡的风险。此外，循环中的控制电子（ CE） 作为一个高度选择性的滤波器工作，从而避免了在循环中需要一个额外的滤波器。除了这些有用的东西-包络载拉具有闭环主动载拉技术的所有优点..

摘要

介绍了负载拉的概念及其在现代无线功率放大器设计中的应用。它随后审查了最常见的负荷拉动技术及其优点和局限性。有一节介绍了负载拉动装置配置的最新进展，介绍了负载拉动系统用户采用的一些最流行的方法。本文讨论了负载拉动配置的两个最新发展，这些发展要么带来了，要么有可能带来PA设计技术的范式转变。