《负载牵引的基础知识.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《负载牵引的基础知识.docx(9页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、负载牵引的基础知识负载牵引,百度百科的解释是酱紫滴:负载牵引方法可以通过不断调节输入和输出端的阻抗,找到让有源器件输出功率最大的输入、输出匹配阻抗。同理也可以得到让功率管效率最高的匹配阻抗。这种方法可以准确地测量出器件在大信号条件下的最优性能,反映出器件输入、输出阻抗随频率和输入功率变化的特性,为器件和电路的设计优化提供了坚实的基础。图一、负载牵引系统示例晕?嘿嘿,估计是有点。来个白话版:由于通信制式越来越复杂,对放大器的线性度和效率要求越来越高。由于放大器的效率和线性度是个永恒的矛盾(射频君在前面的放大器科普中讲过,没看过的同学可以复习放大器历史文章系列),所以如何平衡这样的矛盾达到系统设计
2、的最优就是一个需要解决的难题。如何解决?调节输入和输出端的阻抗也就是负载牵引 (Load-Pull)原理來改善增益压缩点,从而降低谐波的非线性失真,模拟功放的最大输出功率负载点,然后?然后传说中的高转换效率、高输出功率,高线性功放目标就在眼前了哈!那神功究竟是如何炼成的呢?且听我们一步步详解。RF功放在大信号工作时,最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而跟着改变,所以我们必须在史密斯圆图上(Smith chart)上,针对不同的输入功率,每给定一个输入功率,画出在不同负载阻抗時的等输出功率曲线(Power contours),从而帮助我们找出最大输出功率时的最佳负载阻抗,这种方法称为负载牵引L
3、oad-Pull。以典型的晶体管设计为例,首先大家会如何来做阻抗匹配?当然是借助传说中的ADS等仿真工具。由于晶体管工作在接近饱和区和线性区交界时,它的AC Load Line会随着输入信号的增加而改变,尤其S21参数会随着输入信号的增加而变小,因此转换功率增益会因为晶体管工作在饱和区被压缩(传说中的功率压缩的概念由此得来)。因此,原来的晶体管在小信号状态下,输入/输出端都是设计在共轭匹配的。增益最大化的情况下,如果一旦晶体管位于饱和区工作的时候,输出功率的最佳负载阻抗匹配点就会变动,所以晶体管就无法得到最大的功率输出。我们需要借助仿真软件,以Load-Pull的原理有规则地搜索史密斯图上的每
4、个区域,找出功率放大器最大功率输出时的最佳外部负载阻抗ZL点。这个模拟系统包括两个部分:分别是负载阻抗调节及阻抗匹配之参数提取:1)负载阻抗调节:用极坐标表示法有规则地在史密斯图(Smith chart)上的每一点进行模拟,借由模拟不同的外部负载ZL所对应的输出功率结果,就可以得到放大器最大输出功率时负载阻抗在史密斯图上的位置,于是最佳负载发射系数点此L就得到了。由L的值可得知最佳外部阻抗ZL,並作输出阻抗匹配。那么具体这个负载阻抗调节系统是如何组成的呢?a)移相器其功能在于模拟等原图(e- j2)上之角调整(等同加上一段点长度為的传输线),如图二所示:图二、仿真软件中的移相器(b)变压器(T
5、ransformer):其功能在于模拟最佳负载阻抗点所对应圆大小,必须搭配一个Parameter sweep模拟器來做n值的控制变化。2)阻抗匹配之参数提取:如图三所示,位于功率器件的输出端和负载阻抗调节器中间,当负载阻抗调节器做任意改变时,可由此提取器读S-Parameter之值,并求得负载輸入端的反射系数。图三、阻抗匹配的参数匹配器仿真出来以后,还是理论值怎么办?这个时候我们强大的Loading Pulling 系统(当然核心是我们的阻抗调节器Tuner)就要出场了。Load-Pull测试系统是验证功率放大器阻抗匹配最精准且最完整的测试平台,结构图如下图四所示。此测量平台包括:调节器Tun
6、er System、信号SG、功率计Power Metter、矢网VNA、Bias System偏置系统等而组成,几乎兼具基础所有参数的测试功能,如DC-IV曲线、S-Parameter、Power、Noise、IMD、ACPR等。图四、Load-Pull SNP 系统示意图我们就可以根据改变偏置电压以及调整Tuner对应的匹配阻抗,观察输出功率及效率的变化。上图中的电缆、连接器、阻抗调节器等组件,在系统测量前都必须将他们的S参数测出来,输入测量系统的软件中,从而修正误差。图五:DUT端口S-Parameter校准(即将系统校准面延伸到DUT端口)图六、功率校准上面图六中可以看出来,整个系统的
7、插入损耗基本是0.7dB左右(考虑进电缆、连接器的影响,这个插入损耗是接近实际情况的)。测量时通常先将输入端的Tuner固定在某一阻抗(通常為50?附近),然后变动输出端的Tuner 的位置以得到最大输出功率的輸出端负载阻抗,这个步骤称为Load-Pull Measurement;再將输出端Tuner固定在此阻抗位置去变动输入端Tuner以得到最大的功率增益及更高的輸出功率,这个步骤称为Source-Pull Measurement,重复 Load-Pull Measurement及Source-Pull Measurement的步骤,來回不停地重复调整,找出最佳输入与输出阻抗的位置;所以Lo
8、ad-Pull测量最重要的目 的便是找出最佳负载阻抗(Optimum load impedance)使功率元件或电路在最低的輸入功率下有 最高的功率輸出。通过Tuner的調整,我們可以很清楚的从软件看到在Smith Chart上的等功率曲线(Power Contour)。下面的图七、八为测量的Source-Pull Power Contour及Load-Pull Power Contour。图七、Source-pull Power Contour图八、Load-pull Power Contour上面两图就可以看出来我们的最佳阻抗点了。接着还可以进一步做 Power sweep、Bias sweep vs Power 等测试,如图九、图十所示:图九、Power sweep图十、Bias sweep vs Power这些附属测试值,也可以用来更好地帮助我们来做放大器的设计。关于Tuner,射频君多说两句,国内基本上常见的品牌是Maury和Focus,类型也有可编程和手动可调型,具体选择就要看应用和预算了。怎么样,负载牵引的基本知识就介绍到这里,亲们更清楚了吗?如果觉得有用表忘了点赞和转发哈!