[分享] 如何克服5G毫米波的负载牵引测量挑战？（下）

有源负载牵引

开环有源负载牵引（见图4）不依赖于机械调谐器来把b2的一部分反射为A2；而是采用了信号发生器来控制幅度和相位，以产生一个新的信号A2。当采用外部放大器时，任何a2都可实现，从而任何ΓL也可以达到。乍一看，有源负载牵引看起来优于无源负载牵引，因为它的ΓL没有理论上的限制；然而现实中的要达到实际传输给DUT输出端的信号A2所需的功率会成为限制因素。有源调谐拥有无源调谐所不具备的几个优点，包括速度（因为不存在机械运动部件）和增加的史密斯圆图的覆盖范围（因为A2是直接生成的），可以使得

能达到大于1的范围。

图4 一个简单的有源负载牵引系统的输出网络。

限制因素是放大器的最大输出功率。参照图4，50Ω放大器和非50Ω DUT之间的失配会导致信号的一部分被反射回放大器；失配越大，被反射的信号越大。在极端不匹配的情况下，实际上可能发生仅10%的可用信号被递送到DUT的输出端，从而需要大功率的放大器。

混合有源负载牵引则通过预匹配DUT阻抗从高度失配到中度失配来克服这一限制，从而降低提供相同的信号A2至DUT的输出时所需的功率。

毫米波负载牵引

当进行负载牵引时，最好是能够测得封闭的等高线图，以确保DUT的最高性能已经达到。如果没有封闭的等高线图，则有可能错过最佳的性能状态，得到错误的结论。

在无源负载牵引系统中，在DUT参考面可实现的反射净幅度可由如下公式计算：

其中IL表示插入损耗

假定一个典型的阻抗调谐器VSWR（电压驻波比）和耦合器、电缆和探头在30GHz的损耗为：VSWR调谐器 = 20:1，IL耦合器+电缆+探针= 2.5 dB时，反射系数可达到的最大幅值从在调谐器参考面的Γ= 0.9，降低到DUT参考平面的Γ= 0.5。现代氮化镓晶体管具有1到2Ω的输出阻抗，这对应的Γ值分别为0.96和0.92。图5中展示了实际无源负载牵引系统测得晶圆上的GaN晶体管在30 GHz具有30.66 dBm的最大输出功率。注意等高线并没有闭合，所以不能确定如果能进一步进行负载牵引调谐时晶体管的性能会如何变化。

图5 在30GHz进行的GaN晶体管的无源片上负载牵引测量。

混合有源负载牵引通过引入有源注入信号以增加a2信号强度从而增加Γ，来克服无源负载牵引的测量范围限制。商用混合有源负载牵引系统原理图如图6a所示，其典型的实际测试装置如图6b所示。

图6 毫米波混合有源负载牵引系统原理框图（a）和实际系统（b）。

注入功率、调谐范围、晶体管、系统阻抗之间的关系如下:

其中，ZL是呈现给DUT的阻抗，ZSys是系统阻抗，而ZDUT是DUT的输出阻抗。K的定义如下：

其中Pa2是在DUT参考面上注入到DUT的输出端的有源调谐功率，Pb2是DUT的输出功率，而Z0 = 50Ω。在DUT参考平面可实现的净反射为：

采用输出功率40 dBm的驱动放大器和无源阻抗调谐器将系统阻抗从50Ω变换至23.17 + j28.12Ω，能够实现Γ= 0.85，并成功封闭了输出功率等高线。图7所示的完整的等高线表明，可以由相同的GaN晶体管达到31.12 dBm的最大输出功率，比通过无源负载牵引系统所得不完整等高线所确定的要高0.46dB，也就是大约多11％的功率。

图7 在30GHz上进行的GaN晶体管混合有源片上负载牵引测量。

结论

随着业内公司加快5G技术的开发和在提供最佳的解决方案上的竞争，功率、效率和线性度优化将变得更为重要。功率或效率的几个百分点、几个dB的小小优势就可能意味着同类最佳产品和“不成功”产品的差别。混合有源负载牵引通过去除未封闭的等高线圆图的不确定性，来克服毫米波PA的设计挑战。这套系统和方法使得进行理想的匹配变为可能，并给那些采用该方法的用户带来市场竞争上的优势。