無論是為了減少基站的用電量還是延長數(shù)十億部手機的電池使用壽命，無線設計的一個重要目標始終是更高效或更綠色。在有源器件的非線性區(qū)域使用它們可以提高無線產品的運行效率。

傳統(tǒng)上，為獲得對非線性器件行為檢測的最佳結果，通常需要進行測量和建模。就測量方面而言，現(xiàn)有產品在應用軟件和硬件方面都進行了擴展，以滿足該市場的需求并幫助創(chuàng)建行為模型。然而，這些功率放大器（PA）測量技術非?？赡茉谂c諧波源/負載牽引系統(tǒng)的緊密集成方面存在不足，從而導致在檢測器件時的阻抗與其最終應用時的阻抗不匹配，這就將導致，難以將測得的器件性能轉化為功率放大器設計，或者難以發(fā)揮器件或功率放大器架構的性能潛力。

最近出現(xiàn)了將所測量的波形數(shù)據(jù)外推到基波和諧波空間的新方法。這些方法大多基于PHD模型，PHD模型是將S參數(shù)擴展到非線性域的一種明晰、有效的數(shù)學方法。然而該方法能否很好地被擴展至基波和諧波頻率下所測得的阻抗空間范圍之外，還有待進一步的研究。

集成式測量系統(tǒng)是一種替代方案，它能夠同時測量器件的實際電流及電壓波形，并提供諧波源/負載阻抗的控制（在整個Smith圓圖上）。對于諧波阻抗控制和有源負載牽引，對被測器件和諧波源/負載牽引之間的任何信號損失進行補償是十分必要的。這樣的集成式系統(tǒng)令非線性器件的檢測和功率放大器的設計形成真實而相干的聯(lián)系。例如，諧波源/負載牽引允許生成RF波形以提高器件的運行效率，并直接提供所獲得的阻抗信息，來保證在功率放大器設計中該性能的精確再現(xiàn)。反之亦然，因為系統(tǒng)可以輕而易舉地模擬功率放大器中出現(xiàn)的阻抗，由此產生的RF電流及電壓波形便可被用于獲得那些更詳細的信息，包括有關運行中器件的效率與其最大效率的接近程度，或這些電流及電壓擺動對器件可靠性的潛在影響等等。

要設計出高效的功率放大器，就必須對器件的基波和諧波阻抗進行精確的控制。因此關鍵在于設計人員能夠按照既定應用的信號復雜性來進行相關功率等級和頻率下的測量。

本文將探討非線性測量解決方案的發(fā)展演變，然后詳細介紹一種新方法，該方法可以顯著減少設計中不必要的反復（即使對復雜的功率放大器模式亦不例外），同時達到與理論非常契合的性能水平。

各種已嘗試過的各種非線性測量方法都面臨許多挑戰(zhàn)，使獲得最大的功率放大器效率異常困難。這些方法包括無源/負載牽引、閉環(huán)有源負載牽引以及新近出現(xiàn)的開環(huán)有源負載牽引。

無源、負載牽引

如圖1所示，功率傳感器、矢量網絡分析儀（VNA）或采樣示波器可用于非線性測量。調諧器可調諧諧波在被測器件（DUT）輸入和輸出時的阻抗值。這提供了用于設計匹配電路和功率等級的阻抗值。


圖1 無源、負載牽引測試框圖

這些系統(tǒng)的最大缺點是，它們在大頻率范圍上產生阻抗，但控制阻抗只能在單一頻率下進行。阻抗控制一般通過放置插片（slug）來實現(xiàn)，插片在物理上會影響所有剩下的調諧器起作用的頻率。結果是，所有的諧波阻抗不僅無法控制，而且會在每個新位置改變值的大小，從而引起在實際電路中不可再現(xiàn)的測量贗象（artefact）。這將會導致負載牽引測量結果和所設計的功率放大器之間的嚴重性能差異。

同樣存在缺點的諧波調諧器（帶有多個插片和滑動式短路器的無源調諧器），允許對諧波阻抗進行有限控制，而更高階的諧波（3階諧波以上） 并未得到控制且仍然變動很大。例如，利用調諧器能夠輕易產生諧波阻抗（第3諧波以上），根據(jù)歐姆定律，可以把來自被測器件的小電流能夠被轉變成非常大的電壓。 不受控制的負載變化令獲得波形設計所要求的規(guī)則波形變成不可能，因為它們會引入相當大的電容和電感負載，使波形出現(xiàn)嚴重失真。

另一個嚴重問題是無源調諧器的正確運行要求高度精確的校準程序，特別是在今天設計周期被壓縮的情況下，這一過程需要花費大量時間，從而導致過長的停工時間。

高反射負載帶來了又一個挑戰(zhàn)。功率傳感器的讀數(shù)會受到輸出調諧器所設定反射系數(shù)的嚴重影響。在高反射系數(shù)（短路或開路）諧波頻率下尤其如此，這時幾乎所有諧波功率都被反射回器件。在此情況下，由于功率傳感器讀數(shù)的動態(tài)范圍有限，所以就難以得到有價值的讀數(shù)。通過使用讀數(shù)動態(tài)范圍更大，且更昂貴的網絡分析儀可以彌補這一不足。

無源調諧器在被測器件和測量接收機之間的位置（如圖1所示）使得難以區(qū)分來自調諧器和被測器件本身的贗象。此效應又會對功率放大器設計中的輸入或輸出匹配網絡產生潛在影響。長度的增加會產生較大的相位變化，并引入有別于實際電路的測量贗象。例如，事實表明，僅僅存在幾度的相位差就會引起類似于記憶效應的贗象。更嚴重的是，這些阻抗贗象隨每個阻抗設置而不斷變化（由于各不相同的插片位置），因而要說明它們是非常困難的。在使用寬頻調制信號時，這種相變非常容易出現(xiàn)，例如在W-CDMA或LTE系統(tǒng)中或者在具有多個通道的窄帶系統(tǒng)中。

閉環(huán)有源負載牽引

圖2所示的閉環(huán)架構將被測器件本身用作閉環(huán)技術的激勵源。閉環(huán)有效負載牽引系統(tǒng)通過接收來自被測器件的信號，調制其大小和相位，并在信號被反射回被測器件之前對其進行增強來補償任何信號損失。對被測器件產生的信號與反射回被測器件信號的比率控制允許生成Smith圓圖上的任何阻抗，包括反射系數(shù)值大于1的負阻抗。


圖2 閉環(huán)、有源負載牽引測試配置

被測器件（DUT）所產生的反射系數(shù)與任何頻率下負載牽引（LP）的積需要滿足GDUT·GLP1，以保證其穩(wěn)定性。為減弱兩個系數(shù)間的相互作用和降低無法控制的功率增益的風險，環(huán)中引入了一個可調諧的窄帶濾波器。

對于要求高反射系數(shù)以實現(xiàn)最佳運行滿足高功率的器件，如硅 LDMOS、砷化鎵HBT或氮化鎵pHEMT等，如何應對系統(tǒng)振蕩和不受控制的功率增益是一項挑戰(zhàn)。因此，由于器件反射系數(shù)GDUT趨近于1，所以有源環(huán)系統(tǒng)在接近GDUT·GLP=1的振蕩條件下運行。換言之，有源環(huán)系統(tǒng)在任何振蕩的邊緣運行，且反射系數(shù)在相鄰頻率下的任何小的偏離都會使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，而不受控制的功率振蕩有可能破壞被測器件和測量儀器。

為了使有源環(huán)系統(tǒng)盡可能保持穩(wěn)定，所要求的帶通濾波器必須是窄帶的，且不能將有源環(huán)系統(tǒng)用于帶寬超過1MHz的調制信號，如W-CDMA, LTE。
在多音（multi-tone）信號的情況下，閉環(huán)架構不支持在調制帶寬上阻抗的單獨控制，因為信號大小和相位控制在調制帶寬上保持恒定。

開環(huán)、有源負載牽引

圖3所示的是一種更新的非線性測量方法，即開環(huán)、有源負載牽引。該技術采用分離的信號源來激勵被測器件的源或負載，從而消除了被測器件和負載牽引系統(tǒng)之間的任何不受控制的相互作用。這就消除了閉環(huán)技術中的功率增益的不確定性。有意思的是，開環(huán)架構甚至可以安全地用于產生大于1的反射系數(shù)。這對于功率放大驅動和主功率放大階段間的相互作用研究很有幫助。由于開環(huán)架構具有絕對穩(wěn)定性，所以它可以方便地用于測量系統(tǒng)。


圖 3 開環(huán)、有源負載牽引測試配置

在實際電路設計中，有源負載牽引系統(tǒng)的位置比阻抗網絡更遠，然而通過控制由任意波形發(fā)生器（AWG）產生的信號每個頻率分量的相位和大小，就可以輕易地加以補償。由于有源負載牽引系統(tǒng)位于經校準的通道（由耦合器及其與采樣示波器的連接構成）之外，所以無需重新校準測量系統(tǒng)即可對負載牽引系統(tǒng)進行重新配置。當任意波形發(fā)生器沒有信號輸出時，有源/負載牽引架構提供了一個寬帶50歐姆阻抗的環(huán)境以及在系統(tǒng)的整個帶寬上接近于零的反射系數(shù)。這一50歐姆環(huán)境僅在任意波形發(fā)生器產生的頻率下變化。因此，這一負載牽引架構還消除了前面所討論的使用無源調諧器技術時的贗象。

有源負載牽引系統(tǒng)采用電子控制方式，不包括任何運動機械元件。這使它成為晶片上（on-wafer）測量的理想技術。由于負載牽引測量期間不產生機械振動，所以可最大限度地保證探頭接觸點的穩(wěn)定性。

任意波形發(fā)生器還能夠產生脈沖信號（pulsed signal），因此支持使用開環(huán)架構進行脈沖測量。另外，任意波形發(fā)生器能夠對構成脈沖信號的所有頻譜分量進行精確控制，從而可以用于被反射脈沖信號對器件行為影響的研究。任意波形發(fā)生器的頻率帶寬始于直流頻率，這意味著可以將同一負載牽引系統(tǒng)用于基帶頻率下的阻抗控制。最后，現(xiàn)代頻率合成器能夠涵蓋從亞赫茲到千兆赫茲的頻率范圍，從而允許在基帶、基波和高階諧波頻率下使用開環(huán)架構。

目前，市面上的任意波形發(fā)生器能夠在6GHz帶寬范圍（支持對所有頻率分量的相位和大小進行控制）內生成任意信號，無論是連續(xù)波（CW）信號還是復雜的多音信號，這就涵蓋了無線通信系統(tǒng)所使用的大范圍的基波和諧波頻率。

開環(huán)方法有一些小缺點。例如，為獲得所需的反射系數(shù)需要反復搜索正確的功率等級。由于存在一個基本負載牽引，在被測器件的線性區(qū)域無需進行這種反復。但是，在功率掃描期間或需要考慮諧波負載間的非線性關系時，則必須在被測器件的非線性區(qū)域進行反復運算。

此外，在檢測高功率器件時還需要額外的功率放大器來克服系統(tǒng)特征阻抗和最佳負載間的差異。只有在基波頻率下才會出現(xiàn)這種情況，因為在諧波頻率下不需要功率耗散。應當注意的是，大多數(shù)公司均提供窄帶功率放大器。

下一代非線性測量功能

基于市場對綠色無線器件的需求，要求更先進的測量解決方案來幫助設計人員更快速、高效地檢測非線性器件行為。開環(huán)有源負載牽引作為一種被普遍看好的新方法，具備了一系列獨一無二的優(yōu)點。

原則上，這一負載牽引技術可與任何能夠對器件輸入和輸出時出現(xiàn)的所有4種波形進行測量的非線性接收機結合使用。一個極具吸引力的解決方案是將開環(huán)架構與市場上銷售的采樣示波器結合起來使用，如圖4所示。


圖 4 開環(huán)、有源源/負載牽引的測試配置

使用采樣示波器可以支持相位相干的寬帶測量。使用采樣示波器的優(yōu)點是可相干調準同時被測量的多個信號的所有頻譜分量。采樣示波器最多可同時采集8個信號，使得器件的測量可以容易地擴展到4個單端或2個差分端口。此外，采集單元可測量信號內的所有相關頻譜分量（包括基波和多個高階諧波），以及直流和基帶響應——這對捕獲器件中經?？吹降挠洃浶呛苤匾?，并最終獲得代表器件實際物理性質的真實電壓和電流波形。

波形設計

為提高設計效率，接下來的步驟理所當然是使用剛才描述的測試配置來構建集成式系統(tǒng)，以便將信號生成與波形設計軟件結合起來，用于執(zhí)行非線性校準、測量和分析。教科書上已經描述了特定功率放大器的理論電壓和電流波形，例如Class-F和Class-J設計。波形設計則反映了設計人員如何優(yōu)化其設計以實現(xiàn)這些理論波形的能力。完全集成式系統(tǒng)允許通過真實的電流和電壓波形來測量非線性參數(shù)，以精確了解被測器件行為。所測得的結果有助于高效功率放大器運行模式的研究與開發(fā)以及記憶效應的高級檢測。電壓和電流數(shù)據(jù)的共同性支持在測量和模擬之間輕松切換，從而加快設計產品上市速度。此工作流程如圖5所示。


圖 5 將波形導出到EDA軟件工具的工作流程圖

使用者可通過一組非線性測量結果或一個非線性模型確定既定器件是否在仿真器中得到較好的模擬。這些功能使得這種方法對半導體行業(yè)非常實用，因為它可以生成特定波形來測試和研究晶體管的特殊性質，例如其knee-walk-out或電壓擊穿特征。實際上，該測量方法是諧波平衡或包絡仿真器的實際實現(xiàn)，并提供了用于無縫集成任何非線性EDA（電子設計自動化）軟件的功能。

結束語

采樣示波器和任意波形發(fā)生器的使用提供了一種可以替代基于矢量網絡分析儀的傳統(tǒng)測量技術的新方案，后者一次只能測量一個頻率分量。該解決方案完全考慮到了非線性器件和系統(tǒng)會在基帶、基波和諧波頻率下產生頻譜廣泛的信號，并能夠對這些頻率進行同時控制，以獲得既定技術能夠提供的最高性能。其模塊化方案完全考慮到了涵蓋大、中、小功率應用的市場多樣性，提供了適用于最大運行功率達20瓦和150瓦的解決方案。該技術不限于聲音激勵源、響應技術，而是可以進行調整以適應調制或脈沖激勵源、使用軟件的響應測量。此方法在設計更高效——更綠色——的無線器件方面具有大量優(yōu)點。