绿色无线技术:用于无线器件检测的非线性分析
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绿色无线技术:用于无线器件检测的非线性分析

2009年09月03日09:06

  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,该方法可以显着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-C

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