了解負載牽引系統：被動和主動調諧器

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型——它們的優點、缺點以及合成阻抗的方法。

負載牽引測量是一種通用的技術，可用于表征任何非線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，這種技術的一個常見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中，負載牽引測量是一種標準和基本技術，可以最大限度地發揮射頻設備的性能。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間延長相同的百分比，并對客戶的體驗和滿意度產生巨大影響。為了進行這些測量，我們使用負載牽引系統。

術語“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，可調匹配網絡被用來“拉動”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行實驗性表征。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源、有源或混合型。阻抗合成方法是實現負載牽引系統時需要考慮的最重要方面之一。這種設計選擇會影響多個性能維度，包括：

可實現的阻抗范圍。

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，我們將研究被動和主動負載牽引系統的運作方式，以及每種類型的優缺點。最后，我們將簡要介紹混合調諧器，它結合了被動和主動調諧方法。

無源調諧器

無源調諧器使用機械可調結構來調整負載終端。圖3顯示了最常見的無源調諧器類型——“滑動螺釘”調諧器。

從末端和側面看，滑動螺桿調諧器的動作。

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

滑動螺釘調諧器由一個金屬探頭組成，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。探頭還安裝在沿著中心導體在X方向上移動的托架上。這種二維運動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，探頭充當具有可調電納的分流短截線。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，對線路阻抗的影響最小。將探頭靠近線路會增加波反射，這表現為產生的反射系數的振幅增加。

隨著探頭靠近中心導體，反射系數的幅度會增大。然而，探頭與中心導體之間的物理接觸是不理想的，它會導致直流短路和嚴重的物理損壞。調諧器中裝有限位開關，以防止這種情況發生。

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影響反射系數的相位角。如圖4所示。

圖表顯示了滑動螺桿調諧器探頭在X和Y方向上的移動。

圖4.滑動螺桿調諧器探頭的X和Y方向運動。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方向位置成線性正比。為了實現相位角的360度調整，調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，調諧器的長度指定了調諧器的最小工作頻率。二維機械運動的電學結果幾乎獨立，這使得使用這些調諧器更容易。

探頭設計分為兩類：

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。

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

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

手動與自動滑動螺桿調諧器

在如圖5所示的手動滑動螺釘調諧器中，必須手動放置探頭。

手動滑動螺釘調音器。

圖5.手動滑動螺釘調諧器。圖片由Maury Microwave提供

還有一種滑動螺釘調諧器，它通過使用精密步進電機來設置探頭位置，從而自動化了這一過程。通過這種方式，自動調諧器可以減少調諧時間，并保證位置的可重復性，具有較高的精度。圖6展示了一個使用兩個自動滑動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滑動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滑動螺釘調諧器的測試設置。圖片由羅德與施瓦茨公司提供

滑動螺釘調諧器的自動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聯。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。

滑動螺桿調諧器的優點和缺點

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

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

換句話說，使用滑動螺釘調諧器，我們可能無法產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，無源調諧器的有限調諧范圍可能是一個很大的缺點。

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

圖7.滑動螺釘調諧器的最大VSWR沒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，機電無源調諧仍然是使用最廣泛的阻抗合成方法之一。無源調諧器簡單、魯棒且成本低。與有源調諧器相比，無源調諧器更容易創建適用于高功率、高頻設備的調諧器。

主動調諧器

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來產生所需的反射系數。有源調諧器產生適當的輔助信號并將其注入DUT的輸出端口，產生所需的負載條件。

圖8顯示了這一想法的基本實現。這種配置有時被稱為前饋有源環路阻抗合成架構。

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：

一個用于驅動DUT的輸入端口。

另一個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）仍然會影響b2。例如，當測量涉及掃描輸入功率時，可能會出現這種情況。

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

連續調整衰減和相移設置是一個固有的迭代過程，可能會變得非常耗時。為了解決這個問題，我們可以使用如圖9所示的反饋有源環路阻抗合成架構。

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路增益成正比。由于反射信號（a2）來自輸出信號（b2），理想情況下，合成反射系數不應隨輸入驅動或DUT的工作條件而變化。

主要的缺點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，并且會增加測試臺的復雜性。

主動調諧器的優點和缺點

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

然而，這些設備通常比無源設備更大、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，特別是其峰值包絡功率能力。因此，為更高頻率、更高功率創建有源調諧器可能很困難。

總結：混合調音器

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

混合調諧器可以合成比無源元件更高的反射系數，同時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。