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射頻級(jí)聯(lián)之間的阻抗匹配一直是確保射頻功率最大傳輸和射頻功率反射最小的首要任務(wù)。盡管大多數(shù)射頻系統(tǒng)都設(shè)計(jì)為標(biāo)稱50歐姆的輸入和輸出阻抗（有線電視則為75歐姆），但現(xiàn)實(shí)情況是，由于設(shè)計(jì)、器件物理特性、封裝和構(gòu)造方面不可避免的實(shí)際情況，許多元件并不具備這種理想的50歐姆阻抗。因此，必須使用史密斯圓圖和其他工具來(lái)創(chuàng)建最佳匹配網(wǎng)絡(luò)。但問(wèn)題仍然存在，即你如何確定正在嘗試匹配的器件的阻抗？這就是“負(fù)載牽引”發(fā)揮作用的地方。

本文將以問(wèn)答的形式，對(duì)負(fù)載牽引(loadpull)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行一個(gè)介紹。

1、問(wèn)題：什么是負(fù)載牽引？

回答：負(fù)載牽引是一種測(cè)量射頻（RF）器件性能參數(shù)并觀察這些參數(shù)如何隨匹配阻抗變化而變化的技術(shù)。其目標(biāo)是結(jié)合史密斯圓圖找到阻抗匹配的最佳工作點(diǎn)。此外，負(fù)載牽引還能深入了解被測(cè)器件（DUT）的復(fù)阻抗：

Z = R + jX（其中R為電阻部分，jX為電抗部分），以及被測(cè)器件阻抗隨工作條件（如電源電壓、溫度或頻率）變化而變化的情況。

2、問(wèn)題：為什么了解這一點(diǎn)很重要？

回答：射頻（RF）系統(tǒng)性能一直關(guān)注于各級(jí)之間功率的有效傳輸，這不僅是出于“綠色”節(jié)能的考慮，也是為了最小化熱問(wèn)題、耗散和信號(hào)反射。然而，隨著工作頻率達(dá)到數(shù)十Ghz，阻抗測(cè)量和匹配的細(xì)微之處對(duì)于整體設(shè)計(jì)的成功和效率變得更加關(guān)鍵。此外，4G無(wú)線系統(tǒng)和5G無(wú)線系統(tǒng)（以及頻率更高的系統(tǒng)）中的功率水平由于多種原因?qū)?huì)降低，因此功率的有效傳輸對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能目標(biāo)至關(guān)重要。

3、問(wèn)題：還有其他原因嗎？

回答：負(fù)載牽引作為一個(gè)概念并不新鮮，它已經(jīng)被人們了解和使用了數(shù)十年。然而，這項(xiàng)測(cè)試的設(shè)置難度較大，而且當(dāng)時(shí)的需求并不像現(xiàn)在這么迫切。無(wú)線技術(shù)在越來(lái)越高的頻率上的快速發(fā)展改變了這一狀況。新的應(yīng)用越來(lái)越需要負(fù)載牽引測(cè)試所提供的數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，新的儀器使得在更高頻率下進(jìn)行評(píng)估變得更加可行。

這與我們?cè)谠S多技術(shù)進(jìn)步中所看到的正向強(qiáng)化場(chǎng)景是一樣的：市場(chǎng)的增長(zhǎng)和變化推動(dòng)了對(duì)新型和改進(jìn)型儀器的需求，而測(cè)試和測(cè)量（T&M）供應(yīng)商則視此為機(jī)遇和挑戰(zhàn)。反過(guò)來(lái)，他們開(kāi)發(fā)的新型T&M設(shè)備又進(jìn)一步促進(jìn)了相應(yīng)測(cè)試的應(yīng)用，從而擴(kuò)大了其使用范圍。

4、問(wèn)題：進(jìn)行負(fù)載牽引測(cè)試以及使用測(cè)試結(jié)果的通常步驟是什么？

回答：從更高層次的角度來(lái)看，這是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單、包含四個(gè)步驟的過(guò)程：

(1)改變被測(cè)設(shè)備（DUT）所看到的阻抗；

(2)測(cè)量被測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，如輸出功率、增益、效率或失真；

(3)使用這些參數(shù)來(lái)確定被測(cè)設(shè)備的阻抗和最佳匹配點(diǎn)；

(4)設(shè)計(jì)一個(gè)滿足匹配標(biāo)準(zhǔn)的匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載牽引數(shù)據(jù)可用于開(kāi)發(fā)匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以最大化功率傳輸，同時(shí)最小化反射和駐波。利用負(fù)載牽引數(shù)據(jù)繪制的史密斯圓圖（圖1）顯示了最佳匹配點(diǎn)Ropt，以及功率損失為1 dB至4 dB的阻抗輪廓。

圖1：負(fù)載牽引測(cè)試確定了阻抗的最佳匹配點(diǎn)，以及由于偏離此點(diǎn)而導(dǎo)致的性能恒定下降的輪廓。

5、聽(tīng)起來(lái)挺直接的，但真的是這樣嗎？

回答：不幸的是，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單：在高頻射頻領(lǐng)域，即便是使用先進(jìn)且合適的儀器，也很少有什么事情是輕松或直接的。電纜、夾具以及許多其他因素中的任何微小瑕疵或失配都可能導(dǎo)致結(jié)果明顯錯(cuò)誤，或者更糟糕的是，結(jié)果看似正確實(shí)則不然。

傳統(tǒng)上，負(fù)載牽引測(cè)試是手動(dòng)進(jìn)行的，因?yàn)闆](méi)有其他選擇。除了結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性方面的問(wèn)題外，這些測(cè)試還非常耗時(shí)，且常常令人沮喪。當(dāng)然，所有這些都已經(jīng)改變了，因?yàn)楝F(xiàn)在有了受軟件控制的儀器，可以自動(dòng)化完成大部分負(fù)載牽引測(cè)試（見(jiàn)圖2），從而在一定程度上簡(jiǎn)化了測(cè)試過(guò)程。但這仍然不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的測(cè)試。

圖2：負(fù)載牽引的測(cè)試設(shè)置看似傳統(tǒng)，一個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)被測(cè)設(shè)備（DUT），被測(cè)設(shè)備再驅(qū)動(dòng)一個(gè)50歐姆的負(fù)載，但在被測(cè)設(shè)備和負(fù)載之間有一個(gè)不常見(jiàn)的可調(diào)阻抗元件。

6、這個(gè)調(diào)諧器是如何物理構(gòu)建的？

回答：最常見(jiàn)且至今仍在使用的方法是使用機(jī)械滑動(dòng)螺絲調(diào)諧器，它包含兩個(gè)平行板和一個(gè)中心導(dǎo)體，以及一個(gè)金屬探針（或塞子），如圖3所示。隨著探針位置的變化，反射波形的相位也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)這種方式，它可以向被測(cè)設(shè)備（DUT）呈現(xiàn)幾乎任何阻抗。在早期的系統(tǒng)中，探針的移動(dòng)是通過(guò)一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)的鉛螺絲旋鈕來(lái)控制的。現(xiàn)代的負(fù)載牽引設(shè)置通常使用電動(dòng)版本，其中電機(jī)和位置由測(cè)試軟件控制，這肯定比手動(dòng)調(diào)節(jié)要容易得多，如圖4所示，但其電氣原理是相同的。

圖3：可調(diào)元件是一種機(jī)械裝置，包含一個(gè)滑動(dòng)元件；當(dāng)其位置改變時(shí)，會(huì)影響入射波和反射波的比例，從而呈現(xiàn)出不同的阻抗值。（來(lái)源：Maury Microwave Corporation）

7、射頻信號(hào)發(fā)生器需要提供什么樣的信號(hào)？

回答：這取決于被測(cè)設(shè)備（DUT）的預(yù)期應(yīng)用。它可以是標(biāo)準(zhǔn)的雙音信號(hào)，使用頻譜分析儀（或多個(gè)功率傳感器組成的多路復(fù)用器）來(lái)讀取兩個(gè)頻率下的射頻功率以及互調(diào)頻率下的功率電平。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，如高端雷達(dá)，它可能是連續(xù)波（CW）、脈沖連續(xù)波、單音信號(hào)或其他調(diào)制信號(hào)，這只是其中一些可能性。

8、負(fù)載牽引測(cè)試過(guò)程就結(jié)束了嗎？

回答：完全沒(méi)有。傳統(tǒng)的負(fù)載牽引測(cè)試，即標(biāo)量負(fù)載牽引，正在被一種更全面、能提供更多信息和見(jiàn)解的版本所取代，即矢量負(fù)載牽引。

9、什么是更簡(jiǎn)單的標(biāo)量負(fù)載牽引？

回答：在這種測(cè)試中，功率計(jì)是主要的測(cè)量?jī)x器，而功率是一個(gè)標(biāo)量（非矢量）參數(shù)，如圖4所示。功率是在參考平面上測(cè)量的，然后對(duì)這個(gè)值進(jìn)行“校正”，以補(bǔ)償功率傳感器和被測(cè)設(shè)備（DUT）之間不可避免的被動(dòng)損耗，包括調(diào)諧器內(nèi)的損耗（該損耗是阻抗/探針位置的函數(shù)）。標(biāo)準(zhǔn)寬帶功率傳感器測(cè)量包括基頻和諧波頻率在內(nèi)的所有功率。

圖5：基本的標(biāo)量負(fù)載牽引測(cè)試使用信號(hào)發(fā)生器（SG）和頻譜分析儀（SA），并通過(guò)功率計(jì)（PM）讀取功率。（來(lái)源：Maury Microwave Corporation）

10、那么什么是矢量負(fù)載牽引呢？

回答：矢量既有大小又有相位。矢量負(fù)載牽引使用與標(biāo)量負(fù)載牽引相同的一般設(shè)置。然而，它用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）替換了基本的標(biāo)量功率計(jì)，用于測(cè)量被測(cè)設(shè)備（DUT）的信號(hào)，如圖5所示，并提供生成兩端口被測(cè)設(shè)備的全套四個(gè)S參數(shù)所需的數(shù)據(jù)（a1, a2, b1, b2）。（如果您對(duì)這些散射參數(shù)（更廣為人知的是S參數(shù)）不熟悉，那么對(duì)于大多數(shù)射頻設(shè)計(jì)和分析來(lái)說(shuō)，了解和使用它們是至關(guān)重要的。）請(qǐng)注意，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀曾經(jīng)是相對(duì)稀缺且昂貴的射頻測(cè)試設(shè)備，但隨著價(jià)格的下降和需求的增加，它們現(xiàn)在幾乎和頻譜分析儀及示波器一樣常見(jiàn)且必不可少。

圖6：矢量方法增加了網(wǎng)絡(luò)分析儀以提供更全面的結(jié)果。（來(lái)源：Maury Microwave Corporation）

11、負(fù)載牽引在功放設(shè)計(jì)上的有什么作用？

回答：

確定最優(yōu)負(fù)載條件：負(fù)載牽引通過(guò)改變呈現(xiàn)給被測(cè)功放（DUT）的負(fù)載阻抗，并監(jiān)控特定的性能參數(shù)（如輸出功率、增益和效率），幫助工程師找到使輸出功率、功率附加效率（PAE）等指標(biāo)最大化的最佳負(fù)載阻抗。

提高功率傳輸效率：負(fù)載牽引有助于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，確保功放負(fù)載在基頻處具有最佳阻抗，最大限度地提高功率傳輸效率。

優(yōu)化諧波特性：有源諧波負(fù)載牽引可以更加高效準(zhǔn)確地對(duì)功放的諧波特性進(jìn)行評(píng)估測(cè)量，進(jìn)而優(yōu)化功放的功率效率等指標(biāo)。這對(duì)于LDMOS、GaN等功率放大器的設(shè)計(jì)尤為重要。

12、負(fù)載牽引在低噪放設(shè)計(jì)上的有什么作用？

回答：

確定最佳噪聲匹配點(diǎn)：負(fù)載牽引技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地測(cè)試出器件的最佳噪聲匹配點(diǎn)。在功率放大器設(shè)計(jì)中，噪聲系數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)，它直接影響到接收機(jī)的靈敏度。通過(guò)負(fù)載牽引測(cè)試，可以找到使噪聲系數(shù)最小的負(fù)載阻抗，從而實(shí)現(xiàn)最佳噪聲匹配。

優(yōu)化噪聲性能：在負(fù)載牽引測(cè)試過(guò)程中，可以監(jiān)測(cè)噪聲系數(shù)隨負(fù)載阻抗的變化情況。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，可以了解不同負(fù)載條件下噪聲性能的變化規(guī)律，為優(yōu)化噪聲性能提供依據(jù)。例如，在低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)負(fù)載牽引測(cè)試找到最佳的輸入輸出阻抗匹配方案，以降低噪聲系數(shù)并提高接收機(jī)的靈敏度。

提高測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性：負(fù)載牽引測(cè)試系統(tǒng)通常包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)分析儀等高精度測(cè)試儀器。這些儀器能夠提供高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而提高噪聲測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，負(fù)載牽引測(cè)試還可以模擬實(shí)際使用環(huán)境中的負(fù)載條件，使測(cè)試結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。

支持噪聲模型提取和驗(yàn)證：負(fù)載牽引測(cè)試所產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)可以用于在CAD平臺(tái)上建立非線性器件的噪聲模型，并對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。這對(duì)于功率放大器等射頻/微波器件的噪聲性能預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義。