张立飞，杜 静，王一帮，栾 鹏，吴爱华，梁法国

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

1 引 言

负载牵引测量是一种与阻抗相关的微波功率放大器件测量技术，它通过不断调节微波功率放大器件输入和输出端阻抗，从而得到微波功率器件的最佳功率、增益和效率等值曲线及最大值，以及对应的输入、输出阻抗点，用于功率器件的建模与微波功率放大器单片的设计[1～3]。

负载牵引系统已经被业界广泛使用20多年，典型负载牵引系统使用2个阻抗调配器(Tuner)配合信号源、功率计、频谱仪、矢量网络分析仪及一些测试附件，其中矢量网络分析仪只是用来完成对 Tuner 和系统配置器件 (包括夹具和探针)的校准功能，测量时不再使用网络仪[4]。近年来，是德科技推出新一代矢量网络分析仪 PNA-X，由于 PNA-X的高度集成化及灵活的扩展功能，使用一台 PNA-X可以替代信号源、频谱仪及传统的网络分析仪[5～7]。

针对微波频段的在片(on-wafer)器件测试，传统纯机械式负载牵引配置系统，探针及电缆的损耗会缩小 Tuner 的阻抗调配范围，反射系数在40 GHz时最大只能调配至0.7，因此传统的纯机械式负载牵引系统无法满足测试需求，有源混合负载牵引系统应运而生[8～11]。有源混合负载牵引系统是结合了负载端机械式 Tuner调配与有源注入为一体的负载牵引系统，它需要一个反向大功率放大器来克服由于被测件和放大器之间失配带来的损耗，因此需要一个额外的信号源、隔离器及放大器[12,13]。鉴于功放设计过程中，源端Tuner只是用来调整待测功率放大器的输入功率，而待测功率放大器的输出端需要大的阻抗调配范围，本文中大反射负载牵引测试系统指的是负载端调配范围很大的负载牵引系统。

有源混合负载牵引测量系统常用于测量大反射系数下功率器件的输出功率、增益和功率附加效率等电参数，在微波功率器件建模与微波单片集成电路设计中得到了广泛应用。随着矢网在大反射系数下测量准确度的下降[14～16]，在片负载牵引系统测量功率增益不确定度在反射系数0.75以上呈指数方式增加，在反射系数0.9时，直通线功率增益测量误差ΔGop一般可达1 dB左右，需采用系统误差项优化，以提高混合负载牵引测量大负载反射条件下的测量准确度。对优化参数的合理选取能够反映系统测量不确定度的参数就变得尤为重要。

传统负载牵引测量系统一般采用转换功率增益作为验证参数，评价系统测量准确度。但随着新型混合负载牵引测量系统的大量应用，在大反射系数下，如何选取合理的评价和校准参数是需要探讨的问题。

2 负载牵引测试理论基础

负载牵引测量系统是测量被测件在不同源阻抗、不同负载阻抗下的输出功率、增益、效率等参数，并在史密斯圆图上画出相应的等值圆图，如图1所示。

图1 输出功率和效率等值曲线示意图Fig.1 Schematic diagram of output power and efficiency equivalent curve

负载牵引两个阻抗调配器被分别用来改变器件的源或负载阻抗,以使器件的输入端和输出端达到最佳匹配,从而使输出功率或增益最大化，并根据此测出器件的大信号参数。以负载端牵引为例,原理框图如图2所示。

图2 负载牵引基本原理图Fig.2 Basic principle diagram of load pull system

如图2所示，Pout为传送到调配器的功率，Pmes为功率计实际测得的功率，loss为调配器损耗，且Pout=Pmes×loss，其中：

(1)

S11、S21为调配器的S参数，可通过预校准得到，并用阻抗调配器的矢量重复性保障阻抗状态，或者采用矢网实时测量确定其阻抗状态。因此，在多次反复牵引找到输出功率或增益最大值后，便可根据此推算出DUT的大信号功率、增益、反射系数等参数，源端牵引测量亦是如此。

设计工程师根据具体设计目标折中选取最佳设计参数。图3中为一个在片被测件(device under test)测试参考面，其中a1，b1为端口1处输入输出电压波，a2，b2为端口2处输入输出电压波，Γin为输入反射系数，ΓL为被测件输出端负载反射系数，参数定义如式(2)～式(3)所示。Pin为被测件输入功率，PL为负载吸收的功率。增益(转换增益或功率增益)可通过被测件输入输出端功率比值计算得到。被测件效率和附加效率可以结合容易获得的微波器件工作时的偏置电压、偏置电流计算得到的直流功率计算得到。

图3 基于矢量修正的负载牵引测量模型原理图Fig.3 Schematic diagram of load pull measurement model based on vector correction

(2)

(3)

有源混合负载牵引测量系统负载端配置如图4所示。通过在负载端增加信号源结合反馈功率放大器输出信号与负载阻抗调配器的联合调配，有源负载牵引的反射系数最大可调配至1.0以上。

图4 有源混合负载牵引调配示意图Fig.4 Diagram of active hybrid load-pull deployment

3 有源混合负载牵引测量系统校准参数分析

通过对负载牵引测量系统中矢量网络分析仪(后面简称矢网)的矢量误差修正和一次绝对功率校准，就能采用矢网内部接收机进行绝对功率测量，最终实现增益(转换增益、功率增益)、输出功率和效率的测量。

其中增益测量准确度主要受到在片S参数校准剩余误差的影响；输出功率准确度受到在片S参数校准剩余误差和功率校准的影响，效率准确度受到输出功率和直流功率的影响。考虑到负载牵引测量系统中的同轴功率和直流功率已经实现了溯源，在此不再进行讨论。文中将受到在片S参数校准剩余误差影响的增益作为校准参数，它可以综合反映系统的性能。

系统供应商一般采用理想直通的转换功率增益GT作为验证系统正常性工作的校准参数。转换功率增益GT是描述被测件输入端共轭匹配时的功率Pav，与被测件处于任意阻抗下的输出功率Pout的关系。具体验证方法如下：

负载牵引测量系统测量理想直通转换功率增益的测量值为

(4)

式中：a1是输入端入射波幅度；a2是输出端入射波幅度；b2是输出端反射波幅度；ΓL是输出端反射系数。

根据定义，理想直通转换功率增益的理论值为

(5)

式中：ΓS是输入端反射系数。

理想直通的转换功率增益测量值与理论值的差值ΔGT反映了负载牵引测量系统存在的系统误差[14～16]。

(6)

功率增益Gop是描述激励源提供给被测件的输入功率Pin，与被测件的输出功率Pout的关系。与转换功率增益相同，都是与源、负载端阻抗以及去嵌入到被测件端口的功率绝对值密切相关，都能够反映系统的整体技术性能。但是转换功率增益和输入反射系数没有关系，在某些阻抗状态下可能无法完全反应系统性能。当选取功率增益作为校准参数时，负载牵引测量系统测量理想直通的功率增益的测量值为：

(7)

根据其定义，理想直通的功率增益理论值Gop=0 dB。

同理，理想直通的功率增益测量值与理论值的差值ΔGop也能反映负载牵引测量系统存在的系统误差。

(8)

通过式(6)和式(8)对比发现，转换功率增益误差与输入反射系数无关，而功率增益误差不但与入射波功率、反射波功率、负载反射系数有关，还与输入反射系数有关，因此判断在大反射系数下，反射系数引入的不确定度更大[17，18]，功率增益误差会更加敏感。

4 实验验证

为了对校准参数进行验证，搭建了如图5所示的有源混合负载牵引测量系统，通过多线TRL校准方法，将校准端面校准到直通线的中心，实现理想直通。

图5 有源混合负载牵引测量系统框图Fig.5 Block diagram of active hybrid load-pull measurement systems

图6给出了频率40 GHz时，源端阻抗为50 Ω，输入功率-30 dBm，负载阻抗模值分别为0.1～0.9，不同相位点的直通线转换增益ΔGT和功率增益ΔGop的情况。图中横坐标表示负载反射系数的模值，分别为0.1～0.9，步进为0.1，纵坐标表示增益的误差。从图6可以看出，在反射系数模值小于0.7时，ΔGT和ΔGop差别不大，但在反射系数模值大于0.7时，ΔGop比ΔGT大很多，表明Gop对在片S参数校准剩余误差更为敏感，受其影响更高。在片系统在实际校准时，为了体现校准效果，应选取对系统误差更加敏感的参数Gop作为系统的校准和优化参数。

图6 40 GHz不同负载反射系数下ΔGT、ΔGop最大误差Fig.6 Maximum deviation of ΔGT and ΔGop under different load reflection coefficients of 40 GHz

通过实验分析研究，在大反射系数下，功率增益误差比转换功率增益误差更大。因此，选择功率增益Gop作为在片大反射负载牵引测量系统的校准参数，既能反映在片大反射负载牵引自校准方法是否合理，也能对后续开展提高测量准确度提供合理目标函数。

5 功率增益优化及测试应用

在确认了功率增益作为校准参数后，开展了功率增益优化的工作。考虑到功率增益负载反射系数在史密斯圆图上的分布，为了提高优化效率，同时确保大反射测试下具有足够多的样本量，分别在反射系数模值0.2～0.4时，以30°为步进；在反射系数模值0.5～0.6时，以15°为步进；在反射系数模值0.7～0.9时，以10°为步进，进行了功率增益的测试，如图7所示，一共选取了192个阻抗点。把选取的192个阻抗点所对应的接收机原始数据及误差项初始数据送给测量模型，对功率增益参数进行优化，将直通件的各负载阻抗下功率增益测量误差ΔGop由±1 dB减小到±0.2 dB以内，系统测量准确度有明显提升[19]。

图7 阻抗点数分布Fig.7 Impedance point distribution

采用图5所示的在片大反射负载牵引测量系统，系统误差项优化前和优化后分别对功率管进行对比测量，并以功率管最大输出功率的阻抗点所对应的输出功率及效率进行对比。

被测放大器的频率范围36～38 GHz，测量结果对比如表1所示。

表1 优化前后的测量结果Tab.1 Measurement results before and after optimization

从测量结果可见，优化后的系统测量功率管的增益及功率附加效率有较大提升,有效挖掘了功率器件潜能，为设计师进行放大器设计提供了技术支撑。

6 结 论

本文针对微波功率器件测试所使用的大反射负载牵引测量系统通过理论分析，在大反射条件下，选取功率增益Gop作为其最佳的校准参数更能反映系统的性能，并提出该参数的校准方法及测试应用，结合实验证明选择该参数作为在片大反射负载牵引测量系统的校准参数，既能反映在片大反射负载牵引自校准方法是否合理，也能对后续开展提高测量准确度提供合理目标函数。