负载牵引测量是一种通用技术，可用于表征任何非线性射频器件的不同性能指标。正如我们在上一篇文章中讨论的那样，该技术的一个常见应用是确定功率放大器 (PA) 的恒定输出功率和效率轮廓。
　　在当今竞争激烈的市场中，负载牵引测量是一种标准且重要的技术，可限度地发挥射频设备的性能。例如，负载牵引数据可能会帮助我们将智能手机功率放大器的效率提高 20%。这将使设备的电池供电使用时间延长类似的百分比，并对客户的体验和满意度产生巨大影响。为了进行这些测量，我们使用负载拉动系统。
　　术语“负载牵引系统”是指一种测试设置，它允许我们系统地调整 DUT（被测设备）的负载阻抗，以便我们可以测量不同负载条件下 DUT 的性能。图 1 展示了基本的负载拉动系统。

　　基本负载拉动系统图。

　　图 1.基本负载拉动系统。图片由 Steve Arar 提供
　　正如我们所看到的，可调谐匹配网络被纳入以将终端阻抗“拉”离标准50 Ω负载。使用此设置，可以在无与伦比的大信号条件下对器件性能进行实验表征。还可以在输入处使用调谐器，用于源牵引测量或提供 50 Ω 源阻抗（图 2）。

　　输入和输出均带有调谐器的测试设置图。

　　图 2.输入和输出均带有调谐器的基本测试设置。图片由 Steve Arar 提供
　　虽然概念上很简单，但负载牵引测量执行起来可能具有挑战性。这就是为什么当今的自动负载牵引系统（可以快速表征射频器件的大信号行为）比上面提供的基本图表要复杂得多。
　　根据调谐器合成阻抗的方式，我们可以将调谐器分为无源调谐器、有源调谐器或混合调谐器。阻抗合成方法是实现负载牵引系统时需要考虑的重要的方面之一。这种设计选择可能会影响多个性能维度，包括：
　　可实现的阻抗范围。
　　功率范围。
　　支持的带宽。
　　谐波调谐能力。
　　测量速度。
　　在本文的其余部分中，我们将研究无源和有源负载牵引系统的工作原理，以及每种类型的优点和缺点。，我们将简要介绍混合调谐器，它结合了被动和主动调谐方法。
　　无源调谐器
　　无源调谐器使用机械可调结构来调整负载终端。图 3 显示了常见的无源调谐器类型——“滑动螺杆”调谐器。

　　从末端和侧面看到的滑动螺杆调谐器的动作。

　　图 3.滑动螺杆调谐器的端视图和侧视图。图片由Maury Microwave提供
　　滑动螺杆调谐器由距离中心导体可调节距离的金属探针组成。这些调整提供了上图所示的 Y 方向移动。探头还安装在沿着中心导体在 X 方向移动的托架上。这种二维运动使得可以调节负载反射系数的幅度和相位角。
　　由于其在 Y 方向上的运动，探头充当具有可调节电纳的并联短截线。电纳的值取决于探头距中心导体的位移与工作频率的比率。
　　正如我们所期望的，当探头完全缩回时，对线路阻抗的影响。将探头靠近线路会增加波反射，这表现为所产生的反射系数的幅度增加。
　　当探头靠近中心导体时，反射系数的大小会增加。然而，探头和中心导体之间的物理接触是不受欢迎的，它可能导致直流短路和严重的物理损坏。调谐器中装有限位开关，以防止这种情况发生。

　　探头的 Y 方向位置决定了反射系数的大小，而探头的纵向位置则影响反射系数的相位角。图 4 对此进行了说明。

　　图表显示了滑动螺杆调谐器探针在 X 和 Y 方向上的移动。
　　图 4.滑动螺杆调谐器探头的 X 和 Y 方向移动。图片由Maury Microwave提供
　　对于一阶近似，反射系数的相位与探头的 X 方向位置成线性比例。为了实现相位角的全 360 度调整，调谐器的长度必须大于或等于感兴趣频率处的 λ/2。换句话说，调谐器的长度指定了调谐器的工作频率。二维机械运动的电气结果几乎是独立的，这使得使用这些调谐器变得更加容易。
　　探头设计分为两类：
　　接触式探头，旨在接触结构的墙壁。
　　非接触式探头，在距墙壁一小段距离处移动。
　　接触式探头在VSWR条件下通常不会表现出谐振，这种情况发生在探头与中心导体的距离时。然而，非接触式探头可以提供更高的重复性和长期可靠性。
　　，值得一提的是，一些调谐器使用两个或多个探头，既用于粗调/精细阻抗调谐，也用于实现谐波频率粗略控制的可能性。
　　手动与自动滑动螺杆调谐器

　　在如图 5 所示的手动滑动螺杆调谐器中，必须手动定位探头。

　　手动滑动螺杆调谐器。
　　图 5.手动滑动螺杆调谐器。图片由Maury Microwave提供
　　还有滑动螺杆调谐器，通过使用精密步进电机来设置探头的位置来自动执行此过程。通过这种方式，自动调谐器减少了调谐时间并保证了位置重复性和良好的精度。图 6 演示了使用两个自动滑动螺杆调谐器的测试设置。

　　在射频电路的源端和负载端均使用自动滑动螺杆调谐器的测试装置。

　　图 6.在 RF 电路的源端和负载端使用自动滑动螺杆调谐器的测试设置。图片由罗德与施瓦茨提供
　　滑动螺杆调谐器的自动化版本使我们能够表征负载拉动系统并将散射参数与探头的不同位置设置相关联。这些数据存储在查找表中，帮助我们快速找到给定阻抗的正确位置。
　　滑动螺杆调谐器的优点和缺点
　　即使实现自动化，被动机械调谐过程仍然比我们将在下一节中讨论的主动循环方法慢。损耗带来了另一个问题，因为即使在完全缩回时，滑动螺杆调谐器的探头仍然会产生小的衰减。测量装置的其他组件，例如电缆和晶圆上探针，也会增加整体衰减。
　　一部分入射能量作为热量被浪费，并且调谐器无法将其所有输入能量反射回来。因此，调谐器的可实现反射系数可能小于 1。这限制了调谐器可以生成的VSWR 。
　　仅考虑调谐器损耗，合成反射系数的大小可以从大约 0.9（几 GHz）到 0.6（几十 GHz）变化。由于集肤效应，导体损耗随着频率的增加而增加。
　　换句话说，使用滑动螺杆调谐器，我们可能无法生成非常靠近史密斯圆图边缘的反射系数（图 7）。当表征需要非常低阻抗才能实现性能的设备（例如 PA）时，无源调谐器有限的调谐范围可能是一个很大的缺点。

　　显示滑动螺杆调谐器 VSWR 的史密斯圆图。 它还没有完全达到史密斯圆图的边缘。

　　图 7.滑动螺杆调谐器的VSWR图片由John F. Sevic提供
　　尽管存在这些缺点，机电无源调谐仍然是常用的阻抗合成方法之一。无源调谐器简单、坚固且成本低。与有源相比，创建适用于高功率、高频设备的无源调谐器也更容易。
　　主动调谐器
　　为了避免我们上面描述的损失，有源调谐器使用不同的技术来生成所需的反射系数。有源调谐器生成合适的辅助信号并将其注入 DUT 的输出端口，产生所需的负载条件。

　　图 8 显示了这个想法的基本实现。这种配置有时称为前馈有源环路阻抗合成架构。

　　前馈有源环路阻抗合成架构图。
　　图 8.前馈有源环路阻抗合成架构。图片由V. Teppati提供
　　在图 8 中，源信号被分为两个不同的路径：
　　一个用于驱动 DUT 的输入端口。
　　另一个馈送到可变衰减器和移相器以合成行波，终注入 DUT 的输出端口。
　　该电路的有效负载反射系数为：
   　Γ L = a 2 b 2  
　　其中a 2是注入信号，b 2是输出波。
　　如果我们增加衰减，注入信号就会下降，从而导致反射系数变小。由于我们可以任意调整注入波的幅度，因此我们可以生成幅度等于甚至大于单位的反射系数。这使得有源阻抗合成非常适合探头和电缆损耗较大的情况，例如晶圆上毫米波应用。
　　请注意，反射系数取决于a 2和b 2。仅具有固定的a 2值并不能保证 Γ L恒定，因为其他参数（例如源可用功率或源阻抗）仍然会影响b 2。例如，当测量涉及扫描输入功率时，可能会出现这种情况。
　　DUT 工作条件（包括温度）的变化也会改变输出波。应连续调整衰减器设置以进行补偿。
　　连续调整衰减和相移设置本质上是一个迭代过程，并且可能变得非常耗时。为了解决这个问题，我们可以使用反馈有源环路阻抗合成架构，如图 9 所示。

　　反馈有源环路阻抗合成架构图。

　　图 9.反馈有源环路阻抗合成架构。图片（已修改）由V. Teppati提供
　　在这种情况下，晶体管的输出波经过相移、幅度调整，注入到器件的输出端口。因此，合成反射系数的幅度与反馈路径的环路增益成正比。由于反射信号 ( a 2 ) 源自输出信号 ( b 2 )，因此理想情况下，合成反射系数不应随输入驱动或 DUT 的工作条件而变化。
　　主要缺点是在反馈路径的单位环路增益具有 360 度相移的频率下可能会发生振荡。为了避免振荡，我们可以在环路中添加一个高选择性钇铁石榴石 (YIG) 滤波器，从而控制环路增益。然而，YIG 调整和控制并不是一件容易的事，并且会增加测试台的复杂性。
　　主动调谐器的优点和缺点
　　如上所述，主动调谐器可以在史密斯圆图上创建反射系数的任何值。由于有源调谐器的调谐是一种电子过程而不是机械过程，因此相对较快。
　　然而，这些设备通常比无源设备更大、更昂贵。此外，有源调谐器的VSWR和频率范围取决于反馈路径 PA 的性能，尤其是其峰值包络功率能力。因此，创建在更高频率下实现更高功率的有源调谐器可能很困难。
　　总结：混合调谐器
　　在本文中，我们讨论了无源和有源阻抗调谐器。在我们得出结论之前，值得注意的是混合调谐器的存在，它将无源调谐器和有源调谐器组合到一个设备中。无源调谐器充当粗调元件，而有源调谐器充当精细调谐元件。
　　混合调谐器可以合成比无源元件更高的反射系数，同时比有源调谐器需要更低的注入功率。然而，它是否是一个更好的选择取决于具体的应用和要求。