微信公众号文章：什么是负载牵引(LoadPull)系统，它有什么用？

射频级联之间的阻抗匹配一直是确保射频功率最大传输和射频功率反射最小的首要任务。尽管大多数射频系统都设计为标称50欧姆的输入和输出阻抗（有线电视则为75欧姆），但现实情况是，由于设计、器件物理特性、封装和构造方面不可避免的实际情况，许多元件并不具备这种理想的50欧姆阻抗。因此，必须使用史密斯圆图和其他工具来创建最佳匹配网络。但问题仍然存在，即你如何确定正在尝试匹配的器件的阻抗？这就是“负载牵引”发挥作用的地方。

本文将以问答的形式，对负载牵引(loadpull)基础知识进行一个介绍。

1、问题：什么是负载牵引？

回答：负载牵引是一种测量射频（RF）器件性能参数并观察这些参数如何随匹配阻抗变化而变化的技术。其目标是结合史密斯圆图找到阻抗匹配的最佳工作点。此外，负载牵引还能深入了解被测器件（DUT）的复阻抗：

Z = R + jX（其中R为电阻部分，jX为电抗部分），以及被测器件阻抗随工作条件（如电源电压、温度或频率）变化而变化的情况。

2、问题：为什么了解这一点很重要？

回答：射频（RF）系统性能一直关注于各级之间功率的有效传输，这不仅是出于“绿色”节能的考虑，也是为了最小化热问题、耗散和信号反射。然而，随着工作频率达到数十Ghz，阻抗测量和匹配的细微之处对于整体设计的成功和效率变得更加关键。此外，4G无线系统和5G无线系统（以及频率更高的系统）中的功率水平由于多种原因将会降低，因此功率的有效传输对于实现系统性能目标至关重要。

3、问题：还有其他原因吗？

回答：负载牵引作为一个概念并不新鲜，它已经被人们了解和使用了数十年。然而，这项测试的设置难度较大，而且当时的需求并不像现在这么迫切。无线技术在越来越高的频率上的快速发展改变了这一状况。新的应用越来越需要负载牵引测试所提供的数据，与此同时，新的仪器使得在更高频率下进行评估变得更加可行。

这与我们在许多技术进步中所看到的正向强化场景是一样的：市场的增长和变化推动了对新型和改进型仪器的需求，而测试和测量（T&M）供应商则视此为机遇和挑战。反过来，他们开发的新型T&M设备又进一步促进了相应测试的应用，从而扩大了其使用范围。

4、问题：进行负载牵引测试以及使用测试结果的通常步骤是什么？

回答：从更高层次的角度来看，这是一个相当简单、包含四个步骤的过程：

(1)改变被测设备（DUT）所看到的阻抗；

(2)测量被测设备的关键参数，如输出功率、增益、效率或失真；

(3)使用这些参数来确定被测设备的阻抗和最佳匹配点；

(4)设计一个满足匹配标准的匹配网络。负载牵引数据可用于开发匹配网络，该网络可以最大化功率传输，同时最小化反射和驻波。利用负载牵引数据绘制的史密斯圆图（图1）显示了最佳匹配点Ropt，以及功率损失为1 dB至4 dB的阻抗轮廓。

图1：负载牵引测试确定了阻抗的最佳匹配点，以及由于偏离此点而导致的性能恒定下降的轮廓。

5、听起来挺直接的，但真的是这样吗？

回答：不幸的是，事情并没有那么简单：在高频射频领域，即便是使用先进且合适的仪器，也很少有什么事情是轻松或直接的。电缆、夹具以及许多其他因素中的任何微小瑕疵或失配都可能导致结果明显错误，或者更糟糕的是，结果看似正确实则不然。

传统上，负载牵引测试是手动进行的，因为没有其他选择。除了结果准确性和有效性方面的问题外，这些测试还非常耗时，且常常令人沮丧。当然，所有这些都已经改变了，因为现在有了受软件控制的仪器，可以自动化完成大部分负载牵引测试（见图2），从而在一定程度上简化了测试过程。但这仍然不是一项简单的测试。

图2：负载牵引的测试设置看似传统，一个放大器驱动被测设备（DUT），被测设备再驱动一个50欧姆的负载，但在被测设备和负载之间有一个不常见的可调阻抗元件。

6、这个调谐器是如何物理构建的？

回答：最常见且至今仍在使用的方法是使用机械滑动螺丝调谐器，它包含两个平行板和一个中心导体，以及一个金属探针（或塞子），如图3所示。随着探针位置的变化，反射波形的相位也会发生变化。通过这种方式，它可以向被测设备（DUT）呈现几乎任何阻抗。在早期的系统中，探针的移动是通过一个校准过的铅螺丝旋钮来控制的。现代的负载牵引设置通常使用电动版本，其中电机和位置由测试软件控制，这肯定比手动调节要容易得多，如图4所示，但其电气原理是相同的。

图3：可调元件是一种机械装置，包含一个滑动元件；当其位置改变时，会影响入射波和反射波的比例，从而呈现出不同的阻抗值。（来源：Maury Microwave Corporation）

图4：滑动元件可以通过计算机控制的电机实现自动化，以移动滑块，从而简化和加速测试过程。（来源：Maury Microwave Corporation）

7、射频信号发生器需要提供什么样的信号？
回答：这取决于被测设备（DUT）的预期应用。它可以是标准的双音信号，使用频谱分析仪（或多个功率传感器组成的多路复用器）来读取两个频率下的射频功率以及互调频率下的功率电平。对于更复杂的应用，如高端雷达，它可能是连续波（CW）、脉冲连续波、单音信号或其他调制信号，这只是其中一些可能性。

8、负载牵引测试过程就结束了吗？

回答：完全没有。传统的负载牵引测试，即标量负载牵引，正在被一种更全面、能提供更多信息和见解的版本所取代，即矢量负载牵引。

9、什么是更简单的标量负载牵引？

回答：在这种测试中，功率计是主要的测量仪器，而功率是一个标量（非矢量）参数，如图4所示。功率是在参考平面上测量的，然后对这个值进行“校正”，以补偿功率传感器和被测设备（DUT）之间不可避免的被动损耗，包括调谐器内的损耗（该损耗是阻抗/探针位置的函数）。标准宽带功率传感器测量包括基频和谐波频率在内的所有功率。

图5：基本的标量负载牵引测试使用信号发生器（SG）和频谱分析仪（SA），并通过功率计（PM）读取功率。（来源：Maury Microwave Corporation）

10、那么什么是矢量负载牵引呢？

回答：矢量既有大小又有相位。矢量负载牵引使用与标量负载牵引相同的一般设置。然而，它用矢量网络分析仪（VNA）替换了基本的标量功率计，用于测量被测设备（DUT）的信号，如图5所示，并提供生成两端口被测设备的全套四个S参数所需的数据（a1, a2, b1, b2）。（如果您对这些散射参数（更广为人知的是S参数）不熟悉，那么对于大多数射频设计和分析来说，了解和使用它们是至关重要的。）请注意，矢量网络分析仪曾经是相对稀缺且昂贵的射频测试设备，但随着价格的下降和需求的增加，它们现在几乎和频谱分析仪及示波器一样常见且必不可少。

图6：矢量方法增加了网络分析仪以提供更全面的结果。（来源：Maury Microwave Corporation）

11、负载牵引在功放设计上的有什么作用？

回答：

确定最优负载条件：负载牵引通过改变呈现给被测功放（DUT）的负载阻抗，并监控特定的性能参数（如输出功率、增益和效率），帮助工程师找到使输出功率、功率附加效率（PAE）等指标最大化的最佳负载阻抗。

提高功率传输效率：负载牵引有助于实现阻抗匹配，确保功放负载在基频处具有最佳阻抗，最大限度地提高功率传输效率。

优化谐波特性：有源谐波负载牵引可以更加高效准确地对功放的谐波特性进行评估测量，进而优化功放的功率效率等指标。这对于LDMOS、GaN等功率放大器的设计尤为重要。

图7：负载牵引能够测量出功放的输入输出阻抗，对其匹配电路设计提供帮助。

12、负载牵引在低噪放设计上的有什么作用？

回答：

确定最佳噪声匹配点：负载牵引技术可以较为准确地测试出器件的最佳噪声匹配点。在功率放大器设计中，噪声系数是一个关键的性能指标，它直接影响到接收机的灵敏度。通过负载牵引测试，可以找到使噪声系数最小的负载阻抗，从而实现最佳噪声匹配。

优化噪声性能：在负载牵引测试过程中，可以监测噪声系数随负载阻抗的变化情况。通过分析这些数据，可以了解不同负载条件下噪声性能的变化规律，为优化噪声性能提供依据。例如，在低噪声放大器设计中，可以通过负载牵引测试找到最佳的输入输出阻抗匹配方案，以降低噪声系数并提高接收机的灵敏度。

提高测试的准确性和可靠性：负载牵引测试系统通常包括矢量网络分析仪、噪声系数分析仪等高精度测试仪器。这些仪器能够提供高精度的测量数据，从而提高噪声测试的准确性和可靠性。同时，负载牵引测试还可以模拟实际使用环境中的负载条件，使测试结果更加贴近实际情况。

支持噪声模型提取和验证：负载牵引测试所产生的测量数据可以用于在CAD平台上建立非线性器件的噪声模型，并对该模型进行验证。这对于功率放大器等射频/微波器件的噪声性能预测和设计优化具有重要意义。

图8：负载牵引能够测量噪声相关参数，为低噪放晶体设计提供指导

图9：负载牵引噪声测试系统（来源：Maury Microwave Corporation）

13、负载牵引在还能应用到其它那些场景？

回答：利用负载牵引可以任意改变阻抗的特性，可以将其作为负载，然后对功放、RRU、手机以及TR组件在不同负载情况下的性能做出验证，提高产品的可靠性和鲁棒性。

图10：负载牵引在任意阻抗条件下的应用场景