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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202401/454817.htm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?cè)谏弦黄恼轮兴懻摰?,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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?cè)谙乱还?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。
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?cè)黾铀p,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(qǐng)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(duì)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。
評(píng)論