隨著日益增加的智能手機(jī)和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)3G覆蓋范圍以及4G系統(tǒng)即將引入帶來(lái)的持續(xù)壓力，數(shù)字通信射頻組件的設(shè)計(jì)活動(dòng)越來(lái)越豐富。設(shè)計(jì)活動(dòng)的前沿在于功率放大器(PA)的開(kāi)發(fā)。PA設(shè)計(jì)工程師面對(duì)的首要問(wèn)題是功率所增加的效率(PAE)。高PAE意味著：

　　• 移動(dòng)設(shè)備的電池壽命增加

　　• 基站天線(xiàn)覆蓋面最大化，網(wǎng)絡(luò)提供商的電費(fèi)降低

　　• 能夠以更高的價(jià)格出售性能更高的器件，最終實(shí)現(xiàn)每晶圓片更高的收益回報(bào)

　　數(shù)字調(diào)制方案（如PSK、QAM以及OFDM）可實(shí)現(xiàn)高峰均比(PAR)的調(diào)制射頻載波。PA設(shè)計(jì)工程師必須考慮放大具有高PAR的通信信號(hào)的后果，同時(shí)保持線(xiàn)性和可接受的誤差矢量幅值(EVM)率。線(xiàn)性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)提供關(guān)于線(xiàn)性條件下工作的功率放大器性能的基本信息。然而，當(dāng)PA設(shè)計(jì)用于高功率級(jí)的壓縮非線(xiàn)性工作時(shí)，VNA必須提供額外數(shù)據(jù)。

　　VNA能夠測(cè)量主動(dòng)和被動(dòng)器件及系統(tǒng)的S參數(shù)。測(cè)量主動(dòng)器件時(shí)，測(cè)量在線(xiàn)性增益小型信號(hào)器件上進(jìn)行。測(cè)量小型信號(hào)放大器時(shí)，Anritsu（安立）的線(xiàn)性VectorStar VNA可提供內(nèi)置功能，全面分析主動(dòng)器件。表1概列了VectorStar MS4640A系列的性能。

　　非線(xiàn)性VNA的一個(gè)重要功能在于不僅可測(cè)量諧波含量，還可測(cè)量基頻信號(hào)，提供性能數(shù)據(jù)，從而有助于實(shí)現(xiàn)最佳的非線(xiàn)性PA設(shè)計(jì)。此外，非線(xiàn)性分析的一個(gè)關(guān)鍵要素是負(fù)載牽引測(cè)量，尤其是諧波負(fù)載牽引的測(cè)量。負(fù)載牽引分析對(duì)于適當(dāng)提升主動(dòng)器件的性能十分必要。為優(yōu)化非線(xiàn)性器件性能，提供給器件的匹配必須在基頻和諧波頻率方面均加以?xún)?yōu)化。

表1 VectorStar MS4640A系列性能

　　Anritsu/HFE 非線(xiàn)性 VectorStar VNA

　　VectorStar非線(xiàn)性系統(tǒng)提供可選被動(dòng)或主動(dòng)調(diào)諧器。主動(dòng)調(diào)諧器的重要優(yōu)勢(shì)在于，能夠?qū)Ρ粶y(cè)器件(DUT)提供全范圍負(fù)載，確保最佳性能。這對(duì)于非線(xiàn)性器件尤為重要，因?yàn)楹芏嗉?jí)別的非線(xiàn)性運(yùn)行要求諧波反射伽瑪為 1，以實(shí)現(xiàn)最佳性能（圖1）。

圖 1 非線(xiàn)性VectorStar工作示意圖

　　為什么選擇非線(xiàn)性器件？

　　非線(xiàn)性功率放大器的設(shè)計(jì)從晶片級(jí)開(kāi)始。片上器件最終嵌入一個(gè)50Ω系統(tǒng)。片上主動(dòng)器件的輸入阻抗并非50Ω，而大多數(shù)高功率器件的輸出阻抗通常在1 到2Ω之間。為將片上器件的輸入和輸出轉(zhuǎn)換至50Ω系統(tǒng)，需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。由于器件諧波含量大，匹配網(wǎng)絡(luò)必須包括基頻和諧波頻率組件的最佳匹配。提供關(guān)于相對(duì)于源和負(fù)載阻抗的器件性能的信息是非線(xiàn)性VNA測(cè)量系統(tǒng)的主要目標(biāo)。因此，負(fù)載牽引流程是非線(xiàn)性測(cè)量系統(tǒng)的核心。

　　典型的負(fù)載牽引系統(tǒng)將耦合器定位于調(diào)諧器外部，監(jiān)控器件隨調(diào)諧器阻抗變化的功率輸出。此方法要求預(yù)先校準(zhǔn)調(diào)諧器。典型負(fù)載牽引設(shè)置的測(cè)量精度取決于校準(zhǔn)后調(diào)諧器、電纜和接頭的可重復(fù)性。這種傳統(tǒng)配置內(nèi)的調(diào)諧器由供應(yīng)商提供的校準(zhǔn)和控制軟件進(jìn)行控制，存在調(diào)諧器軟件與非線(xiàn)性 VNA軟件之間關(guān)系復(fù)雜的問(wèn)題。由于很多器件需要進(jìn)行大面積史密斯圖表調(diào)諧，校準(zhǔn)往往需要數(shù)小時(shí)。

　　通過(guò)在DUT和調(diào)諧器之間插入一個(gè)超低損耗耦合器，Anritsu/HFE 系統(tǒng)重新定義負(fù)載牽引測(cè)量。由于VectorStar系統(tǒng)將耦合器定位于DUT旁，因此可實(shí)現(xiàn)DUT源和負(fù)載阻抗的高精度測(cè)量。此外，還提供了同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控阻抗和DUT性能的方法，實(shí)現(xiàn)回應(yīng)即時(shí)顯示和實(shí)時(shí)調(diào)諧。該方法也避免了需要預(yù)先校準(zhǔn)的麻煩。

圖2 相對(duì)諧波負(fù)載阻抗的PAE性能典型標(biāo)繪

　　諧波負(fù)載牽引的需要

　　圖2是相對(duì)于諧波負(fù)載阻抗的PAE性能的典型標(biāo)繪。可看到，隨著第二諧波在一個(gè)特定相角終止，PAE得以?xún)?yōu)化。而且，最佳PAE和最小PAE彼此十分相近。這也是諧波負(fù)載牽引對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)至為關(guān)鍵的另一原因。它不僅可確定最佳PAE、增益和最大功率的位置，還可識(shí)別應(yīng)避免的區(qū)域。此情況下，若設(shè)計(jì)限制導(dǎo)致匹配網(wǎng)絡(luò)變化達(dá)50˚，則應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，使網(wǎng)絡(luò)充分遠(yuǎn)離Imax 點(diǎn)，以確保可接受的性能。

　　實(shí)現(xiàn)高精度的高伽瑪

　　非線(xiàn)性運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求之一是需要將諧波完全反射回器件，以便減少輸出諧波含量，提高PAE性能。這意味著，在進(jìn)行負(fù)載牽引流程的分析時(shí)，諧波必須在器件輸出實(shí)現(xiàn)完全反射。當(dāng)負(fù)載牽引調(diào)諧器提供最大反射時(shí)，在調(diào)諧器與器件之間的任何插入損失都會(huì)導(dǎo)致器件的伽瑪降低。此等測(cè)量皆為使用探測(cè)臺(tái)和探頭尖的在片測(cè)量。由于長(zhǎng)射頻線(xiàn)和高損失探頭尖，這些系統(tǒng)的插入損失相當(dāng)大，遠(yuǎn)不能達(dá)到器件的理想伽瑪要求。