负载牵引的基础知识

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

2、 达到系统设计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 )原理来改善增益压缩点，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 出在不同负载阻抗畤的等输出功率曲线(Power contours)，从而帮助我们找出最大输出功率 时的最佳负载阻

3、抗，这种方法称为负载牵引Load-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-P

4、ull的原理有规则地搜索史密斯图上的每个区域，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，业作输出阻抗匹配。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r原图（re- j20）上之o角调整（等同加上一段点长度舄o的传输线

5、）， 如图二所示：52RD.com图二、仿真软件中的移相器(b)变压器(Transformer):其功能在于模拟最佳负载阻抗点所对应r圆大小，必须搭配 一个Parameter sweep模拟器来做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，并求得负载输入端的 反射系数。52RD：.ConSL21第.1】=iSt3.il=f角怜专=士心匕用距四巳 S22. 821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（

6、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Tuner System、信号SG、功率计Power Mett er、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，口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

7、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。52RD.P. 口亡 ogr 色Pawai 1dBffndBsft5 - EDO氏口航-Llo.G.O-u.auo-1.5.6 04-Ho-OOQ-13.000-13.T7C-L2 *a&o-La u?84- f-11.79-6mg-9.ISO-9u81S-寺.汀即-7-ie-i5aooJ靛膈Tl*k?0-W Eg一 ：3.3*=3-2 _aoo-2.796-LrOG-O-L沁 Eoqg1.0 QQ.17S2.0001.1773 .afto3 l 174-眼171-5.ti)iob.DDO7h.ODO3 -lOt&O7.173s.

8、a&o私Miotq?pLLMl10.16L吉 bQDQL3 用HDL1.16S12 时金瑜信号FinbRFsL-b.J&O14 1图六、功率校准上面图六中可以看出来，整个系统的插入损耗基本是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(通常舄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输出端负载阻抗，这个步骤称为Load-Pull Measurement；再将输出端Tuner固定在此阻抗位置去变动输入端Tuner以得到最大的功率 增益及更高的输出功率，这个步骤称为Source-Pull Mea

9、surement,重复Load-Pull Measurement及Source-Pull Measurement的步骤，来回不停地重复调整，找出最佳输入与输 出阻抗的位置；所以Load-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输入功率下有最高的功率输出。通过Tuner的整， 我仲9可以很清楚的从软件看到在Smith Chart上的等功率曲线(Power Contour)o下面的图 七、八为测量的 Source-Pull Power Contour 及 Load-Pull Power Contour。龟肩号函扃号Fir,

10、 cl HF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：V3 9.IM -1E -龟肩号函扃号Fir, cl HF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：V3 9.IM -1E - ESII ll *i R p； Bb H HSWil-i . Ti! i =CVi iuhxi . J.

11、Su jbk.B kxl5 ZKitflECII . L.-图十、Bias sweep vs PowerERM7. i-1910 ,踵10,脸2: ao10.923.b-微ll.S-BO 哗.勰: 13 r EC?E rEO10-6EQ1O.9S71. fiQ.s.ao7. GO10g55_3 IO.Sj & ID.012 id.scy19. *13 510.33 1-54.3 . M 00UJ.g id 9959 加金臼口 尊,O3-lIS. 2.iaz7 - L2算.CKTI C-S.OO ir我 liftsL 11 ! 1!rSr-ura - lr.lH5-图十、Bias sweep v

12、s PowerERM7. i-1910 ,踵10,脸2: ao10.923.b-微ll.S-BO 哗.勰: 13 r EC?E rEO10-6EQ1O.9S71. fiQ.s.ao7. GO10g55_3 IO.Sj & ID.012 id.scy19. *13 510.33 1-54.3 . M 00UJ.g id 9959 加金臼口 尊,O3-lIS. 2.iaz7 - L2算.CKTI C-S.OO ir我 liftsL 11 ! 1!rSr-ura - lr.lH5：:火 * 9rir-5Ld -H=S. 13EE - 13E-HI蹈 dfi20. ra 班HQD- UU mJi苗 1

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