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射頻級聯(lián)之間的阻抗匹配一直是確保射頻功率最大傳輸和射頻功率反射最小的首要任務(wù)。盡管大多數(shù)射頻系統(tǒng)都設(shè)計為標(biāo)稱50歐姆的輸入和輸出阻抗（有線電視則為75歐姆），但現(xiàn)實情況是，由于設(shè)計、器件物理特性、封裝和構(gòu)造方面不可避免的實際情況，許多元件并不具備這種理想的50歐姆阻抗。因此，必須使用史密斯圓圖和其他工具來創(chuàng)建最佳匹配網(wǎng)絡(luò)。但問題仍然存在，即你如何確定正在嘗試匹配的器件的阻抗？這就是“負載牽引”發(fā)揮作用的地方。

本文將以問答的形式，對負載牽引(loadpull)基礎(chǔ)知識進行一個介紹。

1、問題：什么是負載牽引？

回答：負載牽引是一種測量射頻（RF）器件性能參數(shù)并觀察這些參數(shù)如何隨匹配阻抗變化而變化的技術(shù)。其目標(biāo)是結(jié)合史密斯圓圖找到阻抗匹配的最佳工作點。此外，負載牽引還能深入了解被測器件（DUT）的復(fù)阻抗：

Z = R + jX（其中R為電阻部分，jX為電抗部分），以及被測器件阻抗隨工作條件（如電源電壓、溫度或頻率）變化而變化的情況。

2、問題：為什么了解這一點很重要？

回答：射頻（RF）系統(tǒng)性能一直關(guān)注于各級之間功率的有效傳輸，這不僅是出于“綠色”節(jié)能的考慮，也是為了最小化熱問題、耗散和信號反射。然而，隨著工作頻率達到數(shù)十Ghz，阻抗測量和匹配的細微之處對于整體設(shè)計的成功和效率變得更加關(guān)鍵。此外，4G無線系統(tǒng)和5G無線系統(tǒng)（以及頻率更高的系統(tǒng)）中的功率水平由于多種原因?qū)档停虼斯β实挠行鬏攲τ趯崿F(xiàn)系統(tǒng)性能目標(biāo)至關(guān)重要。

3、問題：還有其他原因嗎？

回答：負載牽引作為一個概念并不新鮮，它已經(jīng)被人們了解和使用了數(shù)十年。然而，這項測試的設(shè)置難度較大，而且當(dāng)時的需求并不像現(xiàn)在這么迫切。無線技術(shù)在越來越高的頻率上的快速發(fā)展改變了這一狀況。新的應(yīng)用越來越需要負載牽引測試所提供的數(shù)據(jù)，與此同時，新的儀器使得在更高頻率下進行評估變得更加可行。

這與我們在許多技術(shù)進步中所看到的正向強化場景是一樣的：市場的增長和變化推動了對新型和改進型儀器的需求，而測試和測量（T&M）供應(yīng)商則視此為機遇和挑戰(zhàn)。反過來，他們開發(fā)的新型T&M設(shè)備又進一步促進了相應(yīng)測試的應(yīng)用，從而擴大了其使用范圍。

4、問題：進行負載牽引測試以及使用測試結(jié)果的通常步驟是什么？

回答：從更高層次的角度來看，這是一個相當(dāng)簡單、包含四個步驟的過程：

(1)改變被測設(shè)備（DUT）所看到的阻抗；

(2)測量被測設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，如輸出功率、增益、效率或失真；

(3)使用這些參數(shù)來確定被測設(shè)備的阻抗和最佳匹配點；

(4)設(shè)計一個滿足匹配標(biāo)準(zhǔn)的匹配網(wǎng)絡(luò)。負載牽引數(shù)據(jù)可用于開發(fā)匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以最大化功率傳輸，同時最小化反射和駐波。利用負載牽引數(shù)據(jù)繪制的史密斯圓圖（圖1）顯示了最佳匹配點Ropt，以及功率損失為1 dB至4 dB的阻抗輪廓。

圖1：負載牽引測試確定了阻抗的最佳匹配點，以及由于偏離此點而導(dǎo)致的性能恒定下降的輪廓。

5、聽起來挺直接的，但真的是這樣嗎？

回答：不幸的是，事情并沒有那么簡單：在高頻射頻領(lǐng)域，即便是使用先進且合適的儀器，也很少有什么事情是輕松或直接的。電纜、夾具以及許多其他因素中的任何微小瑕疵或失配都可能導(dǎo)致結(jié)果明顯錯誤，或者更糟糕的是，結(jié)果看似正確實則不然。

傳統(tǒng)上，負載牽引測試是手動進行的，因為沒有其他選擇。除了結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性方面的問題外，這些測試還非常耗時，且常常令人沮喪。當(dāng)然，所有這些都已經(jīng)改變了，因為現(xiàn)在有了受軟件控制的儀器，可以自動化完成大部分負載牽引測試（見圖2），從而在一定程度上簡化了測試過程。但這仍然不是一項簡單的測試。

圖2：負載牽引的測試設(shè)置看似傳統(tǒng)，一個放大器驅(qū)動被測設(shè)備（DUT），被測設(shè)備再驅(qū)動一個50歐姆的負載，但在被測設(shè)備和負載之間有一個不常見的可調(diào)阻抗元件。

6、這個調(diào)諧器是如何物理構(gòu)建的？

回答：最常見且至今仍在使用的方法是使用機械滑動螺絲調(diào)諧器，它包含兩個平行板和一個中心導(dǎo)體，以及一個金屬探針（或塞子），如圖3所示。隨著探針位置的變化，反射波形的相位也會發(fā)生變化。通過這種方式，它可以向被測設(shè)備（DUT）呈現(xiàn)幾乎任何阻抗。在早期的系統(tǒng)中，探針的移動是通過一個校準(zhǔn)過的鉛螺絲旋鈕來控制的?，F(xiàn)代的負載牽引設(shè)置通常使用電動版本，其中電機和位置由測試軟件控制，這肯定比手動調(diào)節(jié)要容易得多，如圖4所示，但其電氣原理是相同的。

圖3：可調(diào)元件是一種機械裝置，包含一個滑動元件；當(dāng)其位置改變時，會影響入射波和反射波的比例，從而呈現(xiàn)出不同的阻抗值。（來源：Maury Microwave Corporation）

7、射頻信號發(fā)生器需要提供什么樣的信號？

回答：這取決于被測設(shè)備（DUT）的預(yù)期應(yīng)用。它可以是標(biāo)準(zhǔn)的雙音信號，使用頻譜分析儀（或多個功率傳感器組成的多路復(fù)用器）來讀取兩個頻率下的射頻功率以及互調(diào)頻率下的功率電平。對于更復(fù)雜的應(yīng)用，如高端雷達，它可能是連續(xù)波（CW）、脈沖連續(xù)波、單音信號或其他調(diào)制信號，這只是其中一些可能性。

8、負載牽引測試過程就結(jié)束了嗎？

回答：完全沒有。傳統(tǒng)的負載牽引測試，即標(biāo)量負載牽引，正在被一種更全面、能提供更多信息和見解的版本所取代，即矢量負載牽引。

9、什么是更簡單的標(biāo)量負載牽引？

回答：在這種測試中，功率計是主要的測量儀器，而功率是一個標(biāo)量（非矢量）參數(shù)，如圖4所示。功率是在參考平面上測量的，然后對這個值進行“校正”，以補償功率傳感器和被測設(shè)備（DUT）之間不可避免的被動損耗，包括調(diào)諧器內(nèi)的損耗（該損耗是阻抗/探針位置的函數(shù)）。標(biāo)準(zhǔn)寬帶功率傳感器測量包括基頻和諧波頻率在內(nèi)的所有功率。

圖5：基本的標(biāo)量負載牽引測試使用信號發(fā)生器（SG）和頻譜分析儀（SA），并通過功率計（PM）讀取功率。（來源：Maury Microwave Corporation）

10、那么什么是矢量負載牽引呢？

回答：矢量既有大小又有相位。矢量負載牽引使用與標(biāo)量負載牽引相同的一般設(shè)置。然而，它用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）替換了基本的標(biāo)量功率計，用于測量被測設(shè)備（DUT）的信號，如圖5所示，并提供生成兩端口被測設(shè)備的全套四個S參數(shù)所需的數(shù)據(jù)（a1, a2, b1, b2）。（如果您對這些散射參數(shù)（更廣為人知的是S參數(shù)）不熟悉，那么對于大多數(shù)射頻設(shè)計和分析來說，了解和使用它們是至關(guān)重要的。）請注意，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀曾經(jīng)是相對稀缺且昂貴的射頻測試設(shè)備，但隨著價格的下降和需求的增加，它們現(xiàn)在幾乎和頻譜分析儀及示波器一樣常見且必不可少。

圖6：矢量方法增加了網(wǎng)絡(luò)分析儀以提供更全面的結(jié)果。（來源：Maury Microwave Corporation）

11、負載牽引在功放設(shè)計上的有什么作用？

回答：

確定最優(yōu)負載條件：負載牽引通過改變呈現(xiàn)給被測功放（DUT）的負載阻抗，并監(jiān)控特定的性能參數(shù)（如輸出功率、增益和效率），幫助工程師找到使輸出功率、功率附加效率（PAE）等指標(biāo)最大化的最佳負載阻抗。

提高功率傳輸效率：負載牽引有助于實現(xiàn)阻抗匹配，確保功放負載在基頻處具有最佳阻抗，最大限度地提高功率傳輸效率。

優(yōu)化諧波特性：有源諧波負載牽引可以更加高效準(zhǔn)確地對功放的諧波特性進行評估測量，進而優(yōu)化功放的功率效率等指標(biāo)。這對于LDMOS、GaN等功率放大器的設(shè)計尤為重要。

12、負載牽引在低噪放設(shè)計上的有什么作用？

回答：

確定最佳噪聲匹配點：負載牽引技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地測試出器件的最佳噪聲匹配點。在功率放大器設(shè)計中，噪聲系數(shù)是一個關(guān)鍵的性能指標(biāo)，它直接影響到接收機的靈敏度。通過負載牽引測試，可以找到使噪聲系數(shù)最小的負載阻抗，從而實現(xiàn)最佳噪聲匹配。

優(yōu)化噪聲性能：在負載牽引測試過程中，可以監(jiān)測噪聲系數(shù)隨負載阻抗的變化情況。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以了解不同負載條件下噪聲性能的變化規(guī)律，為優(yōu)化噪聲性能提供依據(jù)。例如，在低噪聲放大器設(shè)計中，可以通過負載牽引測試找到最佳的輸入輸出阻抗匹配方案，以降低噪聲系數(shù)并提高接收機的靈敏度。

提高測試的準(zhǔn)確性和可靠性：負載牽引測試系統(tǒng)通常包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)分析儀等高精度測試儀器。這些儀器能夠提供高精度的測量數(shù)據(jù)，從而提高噪聲測試的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，負載牽引測試還可以模擬實際使用環(huán)境中的負載條件，使測試結(jié)果更加貼近實際情況。

支持噪聲模型提取和驗證：負載牽引測試所產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)可以用于在CAD平臺上建立非線性器件的噪聲模型，并對該模型進行驗證。這對于功率放大器等射頻/微波器件的噪聲性能預(yù)測和設(shè)計優(yōu)化具有重要意義。