克服面向5G毫米波应用的在片负载牵引测量中的挑战

Overcoming the Challenges of mmWave, On-Wafer Load-Pull Measurements for 5G

Richard Hilton和Steve Dudkiewicz，Maury微波公司，美国加利福利亚州安大略市

阅读含图表、公式的全文：//www.nysewatch.com/PDF/2018/0910/ApplicationNote1.pdf

混合型有源负载牵引通过移除未闭合等高线的不确定性，使设计可得最佳性能，从而克服了毫米波功率放大器设计的挑战。

第五代移动通信代表了无线通信的下一个演进阶段。随着对设备无线连接性的重视，5G预计将汇集数据、语音、视频、物联网、汽车连接、智能家居、智能城市、增强现实和工业自动化应用。为了达成这个大胆的目标，5G技术将部署在多个频带上，覆盖较低的MHz频段到较高GHz频段。在450 MHz - 6 GHz频带的研究是以远距离通信为目标，在28至30GHz和37至39GHz频带则以高数据速率为目标。尽管存在许多独特的挑战，毫米波频段潜在具备许多优势，包括更大的带宽、更大的容量、更高的安全性和更长的电池寿命。

功率放大器（PA）在5G基础设施中是一个关键技术，因此必须采用良好的设计以获得最佳性能，也就是最大限度的提高功率和效率，同时保持适当的线性度。而最大限度地提高性能的一个有效设计工具就是负载牵引。

负载牵引技术

负载牵引是通过改变仪器设备呈现给被测器件（DUT）的负载阻抗（通常DUT是晶体管）以测量不同大信号条件下DUT的性能特征的过程。系统化地变化阻抗，并在此过程中测量或计算出目标参数如输出功率、增益和效率，借此可以绘出特定性能取值的等高线（例如，x dBm输出功率或y％的效率），从而直观地将最大性能所在的点、性能变化速率、各种性能参数（参见图1）之间的权衡折中可视化出来。

图1 输出功率和功率附加效率的负载牵引等高线图。

但负载牵引系统是如何工作的呢？首先把一个DUT当作二端口网络（参见图2）。然后把信号A1注入到DUT的端口1。该信号的一部分被传入到DUT中，而另一部分则由于DUT的输入阻抗和输入网络的源阻抗之间的不匹配被反射为B1。经过DUT网络被改变后的信号b2离开DUT的端口2，然后被传送到所接负载上，而它的一部分由于DUT的输出阻抗和输出网络的负载阻抗之间的不匹配被反射成为A2。将反射的幅度和相位表示为Γ_L:

图2 DUT（被测器件）的二端口S参数模型。

负载牵引系统通过改变反射信号A2来改变Γ_L的幅度和相位。任意负载阻抗可由如下计算公式表示：

只要信号a2是可实现的，就可以将对应的负载阻抗呈现给DUT。有两种常用的方法来改变呈现给DUT的阻抗：无源负载牵引和有源负载牵引。

无源负载牵引

无源负载牵引采用机械阻抗调谐器以改变反射信号a2的幅度和相位，以及呈现给DUT的阻抗（参见图3a）。负载阻抗的幅度大小和相位通过调整一个50Ω悬空传输线附近的探针（或金属块）的在x轴和y轴的位置来实现（参见图3b）。反射的幅度由悬空传输线附近垂直移动探头来控制，而相位由沿着该悬空传输线水平移动探头来控制。通过上、下、左、右移动探头，就几乎可以将任何阻抗呈现给DUT，当然前提是信号A2的强度仍然足够，使得所需的

可以实现。需要注意的是Γ_L总是小于1，因为DUT和调谐器的输出之间的损失使得A2总比b2小。

图3 用于执行负载牵引测量的无源阻抗调谐器（a），包含无源滑动螺钉调谐器和探针（b）。

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Γ_L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Γ_L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，Z_L是呈现给DUT的阻抗，Z_Sys是系统阻抗，而Z_DUT是DUT的输出阻抗。K的定义如下：

其中P_a2是在DUT参考面上注入到DUT的输出端的有源调谐功率，P_b2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。