PA设计用于高功率级的压缩非线性测量

随着日益增加的智能手机和无线互联网3G覆盖范围以及4G系统即将引入带来的持续压力，数字通信射频组件的设计活动越来越丰富。设计活动的前沿在于功率放大器(PA)的开发。PA设计工程师面对的首要问题是功率所增加的效率(PAE)。高PAE意味着：

李鑫

2019-7-23 09:49:31

• 移动设备的电池寿命增加
• 基站天线覆盖面最大化，网络提供商的电费降低
• 能够以更高的价格出售性能更高的器件，最终实现每晶圆片更高的收益回报
数字调制方案（如PSK、QAM以及OFDM）可实现高峰均比(PAR)的调制射频载波。PA设计工程师必须考虑放大具有高PAR的通信信号的后果，同时保持线性和可接受的误差矢量幅值(EVM)率。线性矢量网络分析仪(VNA)提供关于线性条件下工作的功率放大器性能的基本信息。然而，当PA设计用于高功率级的压缩非线性工作时，VNA必须提供额外数据。
VNA能够测量主动和被动器件及系统的S参数。测量主动器件时，测量在线性增益小型信号器件上进行。测量小型信号放大器时，Anritsu（安立）的线性VectorStar VNA可提供内置功能，全面分析主动器件。表1概列了VectorStar MS4640A系列的性能。
非线性VNA的一个重要功能在于不仅可测量谐波含量，还可测量基频信号，提供性能数据，从而有助于实现最佳的非线性PA设计。此外，非线性分析的一个关键要素是负载牵引测量，尤其是谐波负载牵引的测量。负载牵引分析对于适当提升主动器件的性能十分必要。为优化非线性器件性能，提供给器件的匹配必须在基频和谐波频率方面均加以优化。

表1 VectorStar MS4640A系列性能

苏旭

2019-7-23 09:49:41

Anritsu/HFE 非线性 VectorStar VNA
VectorStar非线性系统提供可选被动或主动调谐器。主动调谐器的重要优势在于，能够对被测器件(DUT)提供全范围负载，确保最佳性能。这对于非线***伽玛为 1，以实现最佳性能（图1）。

图 1 非线性VectorStar工作示意图
为什么选择非线性器件？
非线性功率放大器的设计从晶片级开始。片上器件最终嵌入一个50Ω系统。片上主动器件的输入阻抗并非50Ω，而大多数高功率器件的输出阻抗通常在1 到2Ω之间。为将片上器件的输入和输出转换至50Ω系统，需要一个匹配网络。由于器件谐波含量大，匹配网络必须包括基频和谐波频率组件的最佳匹配。提供关于相对于源和负载阻抗的器件性能的信息是非线性VNA测量系统的主要目标。因此，负载牵引流程是非线性测量系统的核心。
典型的负载牵引系统将耦合器定位于调谐器外部，监控器件随调谐器阻抗变化的功率输出。此方法要求预先校准调谐器。典型负载牵引设置的测量精度取决于校准后调谐器、电缆和接头的可重复性。这种传统配置内的调谐器由供应商提供的校准和控制软件进行控制，存在调谐器软件与非线性 VNA软件之间关系复杂的问题。由于很多器件需要进行大面积史密斯图表调谐，校准往往需要数小时。
通过在DUT和调谐器之间插入一个超低损耗耦合器，Anritsu/HFE 系统重新定义负载牵引测量。由于VectorStar系统将耦合器定位于DUT旁，因此可实现DUT源和负载阻抗的高精度测量。此外，还提供了同时实时监控阻抗和DUT性能的方法，实现回应即时显示和实时调谐。该方法也避免了需要预先校准的麻烦。

图2 相对谐波负载阻抗的PAE性能典型标绘

李荣

2019-7-23 09:49:47

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王莉

2019-7-23 09:49:48

总结
Anritsu/HFE VectorStar 非线性测量系统能够为非线性器件提供灵活、强大而经济的负载牵引分析。该系统能够实现轻松的非线性测量，同时提供独特的负载牵引测量能力。可分阶段实施升级，实现一个包括提供真正平衡微差测量的多谐波主动回路非线性负载牵引测量系统。
作者: Steve Reyes，安立公司

李玉珍

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李鑫

苏旭

李荣

王莉

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