无线器件检测非线性分析在绿色无线设计中的作用

无论是为了减少基站的用电量还是延长数十亿部手机的电池使用寿命，无线设计的一个重要目标始终是更高效或更绿色。在有源器件的非线性区域使用它们可以提高无线产品的运行效率。

传统上，为获得对非线性器件行为检测的最佳结果，通常需要进行测量和建模。就测量方面而言，现有产品在应用软件和硬件方面都进行了扩展，以满足该市场的需求并帮助创建行为模型。然而，这些功率放大器（PA）测量技术非常可能在与谐波源/负载牵引系统的紧密集成方面存在不足，从而导致在检测器件时的阻抗与其最终应用时的阻抗不匹配，这就将导致，难以将测得的器件性能转化为功率放大器设计，或者难以发挥器件或功率放大器架构的性能潜力。

最近出现了将所测量的波形数据外推到基波和谐波空间的新方法。这些方法大多基于PHD模型，PHD模型是将S参数扩展到非线性域的一种明晰、有效的数学方法。然而该方法能否很好地被扩展至基波和谐波频率下所测得的阻抗空间范围之外，还有待进一步的研究。

集成式测量系统是一种替代方案，它能够同时测量器件的实际电流及电压波形，并提供谐波源/负载阻抗的控制（在整个Smith圆图上）。对于谐波阻抗控制和有源负载牵引，对被测器件和谐波源/负载牵引之间的任何信号损失进行补偿是十分必要的。这样的集成式系统令非线性器件的检测和功率放大器的设计形成真实而相干的联系。例如，谐波源/负载牵引允许生成RF波形以提高器件的运行效率，并直接提供所获得的阻抗信息，来保证在功率放大器设计中该性能的精确再现。反之亦然，因为系统可以轻而易举地模拟功率放大器中出现的阻抗，由此产生的RF电流及电压波形便可被用于获得那些更详细的信息，包括有关运行中器件的效率与其最大效率的接近程度，或这些电流及电压摆动对器件可靠性的潜在影响等等。

要设计出高效的功率放大器，就必须对器件的基波和谐波阻抗进行精确的控制。因此关键在于设计人员能够按照既定应用的信号复杂性来进行相关功率等级和频率下的测量。

本文将探讨非线性测量解决方案的发展演变，然后详细介绍一种新方法，该方法可以显著减少设计中不必要的反复（即使对复杂的功率放大器模式亦不例外），同时达到与理论非常契合的性能水平。

各种已尝试过的各种非线性测量方法都面临许多挑战，使获得最大的功率放大器效率异常困难。这些方法包括无源/负载牵引、闭环有源负载牵引以及新近出现的开环有源负载牵引。

无源、负载牵引

如图1所示，功率传感器、矢量网络分析仪（VNA）或采样示波器可用于非线性测量。调谐器可调谐谐波在被测器件（DUT）输入和输出时的阻抗值。这提供了用于设计匹配电路和功率等级的阻抗值。


图1 无源、负载牵引测试框图

这些系统的最大缺点是，它们在大频率范围上产生阻抗，但控制阻抗只能在单一频率下进行。阻抗控制一般通过放置插片（slug）来实现，插片在物理上会影响所有剩下的调谐器起作用的频率。结果是，所有的谐波阻抗不仅无法控制，而且会在每个新位置改变值的大小，从而引起在实际电路中不可再现的测量赝象（artefact）。这将会导致负载牵引测量结果和所设计的功率放大器之间的严重性能差异。

同样存在缺点的谐波调谐器（带有多个插片和滑动式短路器的无源调谐器），允许对谐波阻抗进行有限控制，而更高阶的谐波（3阶谐波以上） 并未得到控制且仍然变动很大。例如，利用调谐器能够轻易产生谐波阻抗（第3谐波以上），根据欧姆定律，可以把来自被测器件的小电流能够被转变成非常大的电压。 不受控制的负载变化令获得波形设计所要求的规则波形变成不可能，因为它们会引入相当大的电容和电感负载，使波形出现严重失真。

另一个严重问题是无源调谐器的正确运行要求高度精确的校准程序，特别是在今天设计周期被压缩的情况下，这一过程需要花费大量时间，从而导致过长的停工时间。

高反射负载带来了又一个挑战。功率传感器的读数会受到输出调谐器所设定反射系数的严重影响。在高反射系数（短路或开路）谐波频率下尤其如此，这时几乎所有谐波功率都被反射回器件。在此情况下，由于功率传感器读数的动态范围有限，所以就难以得到有价值的读数。通过使用读数动态范围更大，且更昂贵的网络分析仪可以弥补这一不足。

无源调谐器在被测器件和测量接收机之间的位置（如图1所示）使得难以区分来自调谐器和被测器件本身的赝象。此效应又会对功率放大器设计中的输入或输出匹配网络产生潜在影响。长度的增加会产生较大的相位变化，并引入有别于实际电路的测量赝象。例如，事实表明，仅仅存在几度的相位差就会引起类似于记忆效应的赝象。更严重的是，这些阻抗赝象随每个阻抗设置而不断变化（由于各不相同的插片位置），因而要说明它们是非常困难的。在使用宽频调制信号时，这种相变非常容易出现，例如在W-CDMA或LTE系统中或者在具有多个通道的窄带系统中。

闭环有源负载牵引

图2所示的闭环架构将被测器件本身用作闭环技术的激励源。闭环有效负载牵引系统通过接收来自被测器件的信号，调制其大小和相位，并在信号被反射回被测器件之前对其进行增强来补偿任何信号损失。对被测器件产生的信号与反射回被测器件信号的比率控制允许生成Smith圆图上的任何阻抗，包括反射系数值大于1的负阻抗。


图2 闭环、有源负载牵引测试配置

被测器件（DUT）所产生的反射系数与任何频率下负载牵引（LP）的积需要满足GDUT·GLP£1，以保证其稳定性。为减弱两个系数间的相互作用和降低无法控制的功率增益的风险，环中引入了一个可调谐的窄带滤波器。

对于要求高反射系数以实现最佳运行满足高功率的器件，如硅 LDMOS、砷化镓HBT或氮化镓pHEMT等，如何应对系统振荡和不受控制的功率增益是一项挑战。因此，由于器件反射系数GDUT趋近于1，所以有源环系统在接近GDUT·GLP=1的振荡条件下运行。换言之，有源环系统在任何振荡的边缘运行，且反射系数在相邻频率下的任何小的偏离都会使系统出现振荡，而不受控制的功率振荡有可能破坏被测器件和测量仪器。

为了使有源环系统尽可能保持稳定，所要求的带通滤波器必须是窄带的，且不能将有源环系统用于带宽超过1MHz的调制信号，如W-CDMA, LTE。
在多音（multi-tone）信号的情况下，闭环架构不支持在调制带宽上阻抗的单独控制，因为信号大小和相位控制在调制带宽上保持恒定。

开环、有源负载牵引

图3所示的是一种更新的非线性测量方法，即开环、有源负载牵引。该技术采用分离的信号源来激励被测器件的源或负载，从而消除了被测器件和负载牵引系统之间的任何不受控制的相互作用。这就消除了闭环技术中的功率增益的不确定性。有意思的是，开环架构甚至可以安全地用于产生大于1的反射系数。这对于功率放大驱动和主功率放大阶段间的相互作用研究很有帮助。由于开环架构具有绝对稳定性，所以它可以方便地用于测量系统。


图 3 开环、有源负载牵引测试配置

在实际电路设计中，有源负载牵引系统的位置比阻抗网络更远，然而通过控制由任意波形发生器（AWG）产生的信号每个频率分量的相位和大小，就可以轻易地加以补偿。由于有源负载牵引系统位于经校准的通道（由耦合器及其与采样示波器的连接构成）之外，所以无需重新校准测量系统即可对负载牵引系统进行重新配置。当任意波形发生器没有信号输出时，有源/负载牵引架构提供了一个宽带50欧姆阻抗的环境以及在系统的整个带宽上接近于零的反射系数。这一50欧姆环境仅在任意波形发生器产生的频率下变化。因此，这一负载牵引架构还消除了前面所讨论的使用无源调谐器技术时的赝象。

有源负载牵引系统采用电子控制方式，不包括任何运动机械元件。这使它成为晶片上（on-wafer）测量的理想技术。由于负载牵引测量期间不产生机械振动，所以可最大限度地保证探头接触点的稳定性。

任意波形发生器还能够产生脉冲信号（pulsed signal），因此支持使用开环架构进行脉冲测量。另外，任意波形发生器能够对构成脉冲信号的所有频谱分量进行精确控制，从而可以用于被反射脉冲信号对器件行为影响的研究。任意波形发生器的频率带宽始于直流频率，这意味着可以将同一负载牵引系统用于基带频率下的阻抗控制。最后，现代频率合成器能够涵盖从亚赫兹到千兆赫兹的频率范围，从而允许在基带、基波和高阶谐波频率下使用开环架构。

目前，市面上的任意波形发生器能够在6GHz带宽范围（支持对所有频率分量的相位和大小进行控制）内生成任意信号，无论是连续波（CW）信号还是复杂的多音信号，这就涵盖了无线通信系统所使用的大范围的基波和谐波频率。

开环方法有一些小缺点。例如，为获得所需的反射系数需要反复搜索正确的功率等级。由于存在一个基本负载牵引，在被测器件的线性区域无需进行这种反复。但是，在功率扫描期间或需要考虑谐波负载间的非线性关系时，则必须在被测器件的非线性区域进行反复运算。

此外，在检测高功率器件时还需要额外的功率放大器来克服系统特征阻抗和最佳负载间的差异。只有在基波频率下才会出现这种情况，因为在谐波频率下不需要功率耗散。应当注意的是，大多数公司均提供窄带功率放大器。

下一代非线性测量功能

基于市场对绿色无线器件的需求，要求更先进的测量解决方案来帮助设计人员更快速、高效地检测非线性器件行为。开环有源负载牵引作为一种被普遍看好的新方法，具备了一系列独一无二的优点。

原则上，这一负载牵引技术可与任何能够对器件输入和输出时出现的所有4种波形进行测量的非线性接收机结合使用。一个极具吸引力的解决方案是将开环架构与市场上销售的采样示波器结合起来使用，如图4所示。


图 4 开环、有源源/负载牵引的测试配置

使用采样示波器可以支持相位相干的宽带测量。使用采样示波器的优点是可相干调准同时被测量的多个信号的所有频谱分量。采样示波器最多可同时采集8个信号，使得器件的测量可以容易地扩展到4个单端或2个差分端口。此外，采集单元可测量信号内的所有相关频谱分量（包括基波和多个高阶谐波），以及直流和基带响应--这对捕获器件中经常看到的记忆效应是很重要的，并最终获得代表器件实际物理性质的真实电压和电流波形。

波形设计

为提高设计效率，接下来的步骤理所当然是使用刚才描述的测试配置来构建集成式系统，以便将信号生成与波形设计软件结合起来，用于执行非线性校准、测量和分析。教科书上已经描述了特定功率放大器的理论电压和电流波形，例如Class-F和Class-J设计。波形设计则反映了设计人员如何优化其设计以实现这些理论波形的能力。完全集成式系统允许通过真实的电流和电压波形来测量非线性参数，以精确了解被测器件行为。所测得的结果有助于高效功率放大器运行模式的研究与开发以及记忆效应的高级检测。电压和电流数据的共同性支持在测量和模拟之间轻松切换，从而加快设计产品上市速度。此工作流程如图5所示。


图 5 将波形导出到EDA软件工具的工作流程图

使用者可通过一组非线性测量结果或一个非线性模型确定既定器件是否在仿真器中得到较好的模拟。这些功能使得这种方法对半导体行业非常实用，因为它可以生成特定波形来测试和研究晶体管的特殊性质，例如其knee-walk-out或电压击穿特征。实际上，该测量方法是谐波平衡或包络仿真器的实际实现，并提供了用于无缝集成任何非线性EDA（电子设计自动化）软件的功能。

结束语

采样示波器和任意波形发生器的使用提供了一种可以替代基于矢量网络分析仪的传统测量技术的新方案，后者一次只能测量一个频率分量。该解决方案完全考虑到了非线性器件和系统会在基带、基波和谐波频率下产生频谱广泛的信号，并能够对这些频率进行同时控制，以获得既定技术能够提供的最高性能。其模块化方案完全考虑到了涵盖大、中、小功率应用的市场多样性，提供了适用于最大运行功率达20瓦和150瓦的解决方案。该技术不限于声音激励源、响应技术，而是可以进行调整以适应调制或脉冲激励源、使用软件的响应测量。此方法在设计更高效--更绿色--的无线器件方面具有大量优点。