跟踪负载拉移方法的演进

2011-07-11 09:22:08来源: 互联网

 放大器设计师一直都喜欢用负载拉移系统功能为所选晶体管开发阻抗匹配网络。在线性系统中,简单地把小信号输入阻抗的复共轭用作源匹配网络、把小信号输出阻抗的复共轭用作负载匹配网络就可以了。但针对功率器件和它们的非线性特性,负载拉移系统可以提供必要的信息最大限度地提高宽频率范围内的功率转移和输出功率。

  负载拉移技术需要研究有源器件(比如功率晶体管)对源和负载阻抗变化的响应。负载拉移系统提供了改变阻抗的途径,还能针对最佳大信号条件表征器件。谐波负载拉移技术是基频负载拉移测量的扩展,用于研究待测器件(DUT)在负载阻抗ZL与基准测试频率和一个或多个基频谐波频率组合方面的响应性能。这种方法经常用来提高高压缩放大器的效率,或降低工作在功率回退状态下的放大器的误差向量幅度(EVM)。

  

  呈现给DUT的阻抗可以用好几种格式表述:阻抗ZL(包括R+jX)、电压驻波比VSWR(作为幅度和相位中的复数)和反射系数ΓL(作为幅度和相位中的复数)。把DUT想像成一种双端口器件(图1),出现在DUT上的反射幅度ΓL就只是a2/b2,或反射波和前向行波之比。通用公式可以写成:

  Γx,n(fn) = ax,n(fn)/bx,n(fn)

  在传统的无源机械式调谐器系统中,反射产生的原因是由于使用金属探测器(也称为调谐块)部分中断了压风管路的电场。探测器以某一可变的深度插入压风管路;探测器插入压风管路并中断电场的深度越深,反射幅度ΓL就越大。沿着厚膜线长度滑动探测器将改变反射的相位。因此,通过选择相对压风管路合适的探测器垂直和水平位置,DUT上可以呈现Smith Chart上的任何阻抗。

  只关注基频阻抗的基准负载拉移调谐可以用一个调谐探测器或多个调谐探测器组合实现。谐波负载拉移调谐能够使用级联或滤波配置方式组合两个、三个或多个探测器实现。

  在使用无源机械调谐器时,很明显a2总是要小于b2,原因是调谐器的反射限制(不是所有能量都可以被反射)以及DUT和调谐器之间的损耗(能量在到达调谐器时已有耗散,从而降低了可以被反射的能量值)。假设ΓL=1左右的谐波阻抗代表理论上理想的端接状态,那么使用机械式调谐器在DUT参考平面可取得的值范围应在ΓL=0.8和ΓL=0.92之间。

  在通信和其它系统中越来越多地使用调制宽带信号对传统负载拉移系统提出了很大的挑战。传统负载拉移系统设计工作在离散频率,而宽带信号所占的频谱段通常为10MHz或更宽。诚然,负载拉移系统也会在比如10MHz宽的带宽上呈现一定的阻抗,虽然与调谐的中心频率阻抗值不尽相同。在宽带信号的带宽上可能呈现出巨大差异的阻抗,因为包括探测器、电缆、夹具和调谐器本身在内的DUT和阻抗调谐器之间存在相位延迟。这将导致容易令人误解的放大器品质因数值,如功率附加效率(PAE)和相邻通道功率比(ACPR),并导致可能令人误解的功率放大器性能结果。图2演示了调谐阻抗上的相位延迟效应。在这个例子中,2.58MHz带宽的宽带信号与标准非优化负载拉移系统一起使用,产生的相移是3度/MHz或信号带宽上的7.74度。对于具有40MHz带宽的多通道WCDMA信号来说,相移将为120度。

  

  自从20世纪70年代后,IEEE出版物中就引用了有源闭环负载拉移方法。这种方法使用放大版的b2作为反射信号a2。为了达到这个目的,需要使用耦合器或环形器引导来自DUT的信号b2经过可变放大级电路控制幅度和相位,最后重新将信号作为a2回注入器件。图3显示了典型闭环系统的功能框图

  这种技术与传统机械式负载拉移调谐器相比有多方面的优势,包括速度、伽玛控制和方便集成,尤其在晶圆上的测试系统中。由于系统采用电气调谐方式,没有活动的机械部件,因此调谐过程相当快速。闭环配置中的放大器可以用来增加a2,以便ΓL能够在DUT的参考平面接近单位1。副作用是,由于无源器件的漏电流在有源闭环负载拉移系统中可能出现振荡。因此需要采用较强的滤波来减少振荡发生的机会,因为这种振荡通常会使系统接近窄带。有源方法不能解决机械式负载拉移系统的相位延迟问题。事实上,调谐环路长度的增加可能导致相对DUT参考平面的相位延迟增加。商用闭环有源负载拉移系统相移为30度/MHz或信号带宽上的77.4度。对于上述40MHz的WCDMA信号来说,相移将是1200度。最后,在有源闭环负载拉移方法中使用大功率线性放大器可能会增加相当多的系统成本。

  

  对公式ΓL = a2/b2仔细检查可以发现,在分离a2和b2源方面没有限制。显然b2是来自器件的波,对它没有直接控制。然而,a2不需要是b2的反射信号,但完全可以是一个新的信号。开环有源负载拉移依靠外部资源将信号注入DUT输出,从而创建a2。简单的有源调谐链由信号源、可变移相器和可变增益级电路组成(图4)。内置有注入信号幅度和相移控制功能的商用化信号发生器是有源负载拉移系统的理想选择。

  

  使用有源负载拉移技术可以简化谐波负载拉移调谐,因为可以用复用器合并多条有源调谐路径,一个频率一条,从而满足条件Γx,n(fn) = ax,n(fn)/bx,n(fn)。复用器中固有的任何损耗问题可以被每条有源调谐链路中使用的放大器轻松解决。有源开环系统的好处与闭环系统类似:快速调谐,高伽玛调谐,方便地与晶圆上测量系统集成。但开环系统比闭环系统有更多的优势:没有反馈路径,因此不会出现调谐环路振荡现象。

开环负载拉移方法的缺点是对应每个感兴趣的阻抗受控频率有多个信号发生器,会将实际开环系统的功能限制为单频信号及其谐波。开环系统在测试大功率器件时还要求大功率放大器达到理想的反射系数。然而,与闭环系统不同,这些放大器不必是线性的,因为用户规定的反射系数可以通过连续软件迭代法达到。

  虽然机械调谐器简单,价格便宜,也可以处理大功率,但没有自然的方法能克服系统中的损耗,这种损耗会限制可能达到的ΓL值。虽然开环有源负载拉移系统调谐速度快,可以实现ΓL = 1,而且集成方便,但它们要求昂贵的频带受限放大器。幸运的是,一种被称为混合负载拉移方法的技术不仅具有无源和有源负载拉移方法的优点,还能最大限度地减少两者的缺点。混合负载拉移指的是有源和无源调谐在同一系统中的组合。传统的无源机械式调谐器可以用来反射基频处的大功率信号,允许小得多的有源注入信号使用小得多的放大器克服损耗,并实现ΓL = 1。由于谐波频率的功率电平经常远小于基频信号功率,因此有源调谐可以使用价格较低的宽带放大器实现ΓL,nf = 1的有源谐波负载拉移系统。两种情况下的有源调谐都只要求低功率电平。

  Maury Microwave公司与合作伙伴安杰伦科技公司及AMCAD Engineering公司提供可立即使用的开环有源和无源-有源混合负载拉移系统,这些系统采用了安杰伦的PNA-X非线性矢量网络分析仪和Maury公司的阻抗调谐器以及ATS和IVCAD软件平台。AMCAD公司的系列PIV脉冲发生器增加了脉冲偏压功能。PNA-X非线性VNA为有源负载拉移提供要求的a2,并提供接收器用于测量应用和发射的功率。PNA-X的频率覆盖范围是10MHz至50GHz或更高,并提供灵活的测试装置用于增加外部元件,如放大器。PNA-X通过测量目标频率点的a1、b1、a2和b2波监视调谐后的阻抗,并根据要求作出校正。即使不调谐源,a1和b1知识也能用来计算DUT输入阻抗,并确定输出到DUT的功率。

  混合信号有源负载拉移是Anteverta Microwave公司发明并获得专利的一种形式独特的开环有源负载拉移,并且只能由Maury Microwave公司在其MT2000系列产品中提供。这种负载拉移不使用直接频率信号合成和分析方法,而是使用上变频和下变频器以及宽带模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)创建和分析基带波形。由于任意波形发生器(DAC)的宽带特性,高达120MHz的宽带调制信号可以被创建、上变频并提交给DUT,从而允许几乎无限数量具有感兴趣带宽的a1、b1、a2和b2波。

  在混合信号方法中,由于宽带调制信号相位延迟引起的误差可以被消除,因为阻抗可以被合成,在整个信号带宽上没有限制。这种系统能够将信号中的每个频率分量放到一个阻抗点,或一个任意图案,甚至典型匹配网络的真实频率响应。图5显示了混合信号方法下的信号合成和分析过程。

  

  首先,单频、多频或调制信号(as)在频域中与用户定义的反射系数一起被定义为频率的一个函数。再用反向快速傅里叶变换(FFT)将信号转换到时域,然后加载进基带的DAC。输出信号再由射频测试装置从基带上变频为目标频率,并注入DUT。

  其次,注入(an)和反射(bn)波由直接耦合器采样,并经射频测试装置下变频为低中频(IF)信号,并由ADC在时域中捕获每个信号。FFT用来将信号转换到频域,并计算测量得到的反射系数与调制带宽的关系。

  第三,将测量得到的信号中每个频率分量的反射系数与用户预定义的值进行比较,然后在频域中调整原始注入信号(a1,n, a2,n),并收敛到用户定义的值。接着使用反向FFT将新的注入信号转换到时域,并上载到DAC产生新的基带信号。这些信号被射频测试装置上变频为目标频率,并回送给DUT。如同最初的开环方法中一样,使用迭代过程比较创建的波形和目标波形,并根据需要进行连续校正。图6给出了描述这个过程的流程图。

  

  创新的MT2000系列混合信号有源负载拉移系统提供从0.4至26.5GHz的宽带能力,支持用宽带调制信号实施从标准带宽到120MHz(可用带宽到240MHz)的负载拉移测量。

  利用MT2000系列负载拉移系统可以实时开展单频测量,测试速度可以超过每分钟1000个功率和阻抗负载状态。MT2000系统可以使用90个基准负载状态、扫频式负载与源谐波端接以及16个功率电平在5分钟内执行独立的完全受控的多维负载拉移参数扫描并捕获5000多个测量点。

  混合信号开环技术的优势有很多:高速单频器件表征,高伽玛,对实际通信标准兼容的调制信号提供宽带控制,最终形成非常实用的DUT表征,而它的有源特性允许方便地集成晶圆上的测量系统。

  与闭环技术不同,混合信号开环技术没有反馈路径,因此不会产生调谐环路振荡。与传统的开环有源负载拉移方法相比,可以达到更高的测量速度,不再需要为每个阻抗受控频率准备单个合成器。另外,系统的开环特性使得注入放大器可以被一直使用到饱和功率电平,因为信号合成和分析可以识别由于功率放大器造成的非线性问题,并通过修改注入信号自动进行补偿。

  最后,由于有源负载拉移系统只控制目标频率处的阻抗,DUT看到的系统特征阻抗即使对带外频率来说也是50Ω。这样可以减少在使用无源负载拉移技术时可能发生的带外振荡。

关键字:跟踪  方法

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0711/article_7127.html
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