在本文中，我们探讨了最常用于负载牵引测量的阻抗调谐器的类型——它们的优点、缺点以及合成阻抗的方法。

负载牵引测量是一种通用的技术，可用于表征任何非线性射频设备的不同性能指标。正如我们在上一篇文章中所讨论的，这种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的轮廓。

在当今竞争激烈的市场中，负载牵引测量是一种标准和基本技术，可以最大限度地发挥射频设备的性能。例如，负载牵引数据可以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相同的百分比，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。

术语“”是指一种测试设置，它允许我们系统地调整呈现给DUT（被测设备）的负载阻抗，以便我们可以在不同的负载条件下测量DUT的性能。图1中示出了一个基本的。

基本负载牵引系统图。

图1.基本负载牵引系统。图片由Steve Arar提供

正如我们所看到的，可调匹配网络被用来“拉动”终端阻抗，使其远离标准50Ω负载。使用这种设置，可以在非匹配的大信号条件下对器件性能进行实验性表征。调谐器也可以用于输入端，用于源拉测量或提供50Ω源阻抗（图2）。

在输入和输出端都使用调谐器的测试设置图。

图2:在输入和输出端都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，但负载牵引测量在执行上可能具有挑战性。这就是为什么今天的自动负载牵引系统可以快速表征射频设备的大信号行为，比上面提供的基本图要复杂得多。

根据阻抗合成方式的不同，我们可以将调谐器分为无源、有源或混合型。阻抗合成方法是实现负载牵引系统时需要考虑的最重要方面之一。这种设计选择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，我们将研究被动和主动负载牵引系统的运作方式，以及每种类型的优缺点。最后，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显示了最常见的无源调谐器类型——“滑动螺钉”调谐器。

从末端和侧面看，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

滑动螺钉调谐器由一个金属探头组成，该探头与中心导体之间的距离可调。调节提供了上图所示的Y方向运动。探头还安装在沿着中心导体在X方向上移动的托架上。这种二维运动使得可以调节负载反射系数的幅值和相位角。

由于其在Y方向上的运动，探头充当具有可调电纳的分流短截线。电纳的值取决于探头与中心导体的位移比和工作频率。

正如我们所料，当探头完全缩回时，对线路阻抗的影响最小。将探头靠近线路会增加波反射，这表现为产生的反射系数的振幅增加。

随着探头靠近中心导体，反射系数的幅度会增大。然而，探头与中心导体之间的物理接触是不理想的，它会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。

虽然探头的Y方向位置决定了反射系数的幅度，但探头的纵向位置会影响反射系数的相位角。如图4所示。

图表显示了滑动螺杆调谐器探头在X和Y方向上的移动。

图4.滑动螺杆调谐器探头的X和Y方向运动。图片由Maury Microwave提供

在一阶近似下，反射系数的相位与探头的X方向位置成线性正比。为了实现相位角的360度调整，调谐器的长度必须在感兴趣的频率处大于或等于λ/2。换句话说，调谐器的长度指定了调谐器的最小工作频率。二维机械运动的电学结果几乎独立，这使得使用这些调谐器更容易。

探头设计分为两类：

接触探头，其设计用于接触结构的墙壁。

非接触式探头，在离墙壁很小的距离内移动。

接触式探头在最大VSWR条件下通常不会出现共振，这种情况发生在探头距离中心导体最短距离时。然而，非接触式探头可以提供更高的可重复性和长期可靠性。

最后，值得一提的是，一些调谐器使用两个或多个探头，用于粗略/精细阻抗调谐，并可能实现对谐波频率的粗略控制。

手动与自动滑动螺杆调谐器

在如图5所示的手动滑动螺钉调谐器中，必须手动放置探头。

手动滑动螺钉调音器。

图5.手动滑动螺钉调谐器。图片由Maury Microwave提供

还有一种滑动螺钉调谐器，它通过使用精密步进电机来设置探头位置，从而自动化了这一过程。通过这种方式，自动调谐器可以减少调谐时间，并保证位置的可重复性，具有较高的精度。图6展示了一个使用两个自动滑动螺钉调谐器的测试设置。

一种在射频电路的源端和负载端都使用自动滑动螺钉调谐器的测试设置。

图6. 在射频电路的源端和负载端使用自动滑动螺钉调谐器的测试设置。图片由罗德与施瓦茨公司提供

滑动螺钉调谐器的自动化版本使我们能够表征负载牵引系统，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

即使在自动化的情况下，被动的机械调谐过程仍然比我们在下一节讨论的主动回路方法慢。损耗是另一个问题，因为滑动螺钉调谐器的探头即使完全缩回也会造成轻微的衰减。测量设置的其他组件，如电缆和晶圆探针，也会增加整体衰减。

入射能量的一部分会以热能的形式浪费掉，调谐器也无法将所有输入能量反射回去。因此，调谐器可实现的最大反射系数可能小于1。这限制了调谐器可以产生的最大VSWR。

仅考虑调谐器损耗，合成反射系数的幅度可以从大约0.9（在几GHz）变化到0.6（在几十GHz）。由于趋肤效应，导体损耗随频率增加而增加。

换句话说，使用滑动螺钉调谐器，我们可能无法产生非常接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以最佳方式运行的设备（如PA）时，无源调谐器的有限调谐范围可能是一个很大的缺点。

显示滑动螺钉调谐器最大VSWR的史密斯圆图。它没有完全达到史密斯圆图的边缘。

图7.滑动螺钉调谐器的最大VSWR没有完全达到史密斯圆图的边缘。图像由John F. Sevic提供

尽管存在这些缺点，机电无源调谐仍然是使用最广泛的阻抗合成方法之一。无源调谐器简单、鲁棒且成本低。与有源调谐器相比，无源调谐器更容易创建适用于高功率、高频设备的调谐器。

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产生所需的反射系数。有源调谐器产生适当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显示了这一想法的基本实现。这种配置有时被称为前馈有源环路阻抗合成架构。

前馈有源回路阻抗合成架构图。

图8 前馈有源回路阻抗综合架构。图片由V. Teppati提供

在图8中，源信号被分成两条不同的路径：

一个用于驱动DUT的输入端口。

另一个馈入可变衰减器和移相器，以合成行波，最终注入DUT的输出端口。

该电路的有效负载反射系数为：

其中a2是注入信号，b2是输出波。

如果我们增加衰减，注入信号会下降，导致反射系数变小。由于我们可以任意调整注入波的振幅，我们可以产生幅度等于甚至大于1的反射系数。这使得有源阻抗合成非常适合探针和电缆损耗很大的情况，例如晶片上、毫米波应用。

请注意，反射系数取决于a2和b2。仅仅拥有一个固定的a2值并不能保证不变的ΓL，因为其他参数（如源提供的功率或源阻抗）仍然会影响b2。例如，当测量涉及扫描输入功率时，可能会出现这种情况。

改变DUT的工作条件，包括温度，也会改变输出波。应不断调整衰减器设置以进行补偿。

连续调整衰减和相移设置是一个固有的迭代过程，可能会变得非常耗时。为了解决这个问题，我们可以使用如图9所示的反馈有源环路阻抗合成架构。

反馈有源回路阻抗合成架构图。

图9.反馈有源回路阻抗综合架构。图片（修改）由V. Teppati提供

在这种情况下，晶体管的输出波被相移、幅度调整，并最终注入到设备的输出端口。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（a2）来自输出信号（b2），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。

主要的缺点是在反馈路径的单位回路增益具有360度相移的频率下可能发生振荡。为了避免振荡，我们可以向回路中添加高选择性的钇铁石榴石（YIG）滤波器，从而控制回路增益。然而，YIG调谐和控制并不是一件容易的事，并且会增加测试台的复杂性。

的优点和缺点

如上所述，有源调谐器可以在史密斯圆图上创建任何反射系数的值。由于有源调谐器的调谐是一个电子过程，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，特别是其峰值包络功率能力。因此，为更高频率、更高功率创建有源调谐器可能很困难。

总结：混合调音器

在本文中，我们讨论了被动和主动阻抗调谐器。在得出结论之前，值得注意的是混合调谐器的存在，它将和组合成一个设备。充当粗调元件，而主动调谐器充当细调元件。

混合调谐器可以合成比无源元件更高的反射系数，同时需要比有源调谐器更低的注入功率。然而，它是否是更好的选择取决于具体的应用和要求。