СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2015 а 1 а 2 b 2 b 1 S 21 S 12 S 22 S 11 Порт 1 Порт 2 Частота, ГГц КСВН F min F max Низкочастотный зондирующий импульс Высокочастотный зондирующий импульс Пересечение частоты С ОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКИ ГАРМОНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ L OAD -P ULL Гармонические измерения Load- Pull существуют уже десятилетия, с момента изобретения техник актив- ного Load-Pull с закрытым и откры- тым контурами согласования в 1979– 1990 гг. [9, 10]. В то время данным системам были присущи проблемы устойчивости и обработки данных, что ограничивало их коммерческое применение. В 1990-е гг. для гармони- ческих измерений Load-Pull исполь- зовались пассивные механические тюнеры. Осуществлялись такие изме- рения путём параллельного включе- ния тюнеров с использованием муль- типлексоров, или же каскадированием тюнеров и применением продвинуто- го математического аппарата [12]. Как и в случаях всех пассивных систем, амплитуда потенциально возможно- го коэффициента отражения в сече- нии тестируемого устройства была ограничена диапазоном согласова- ния тюнера и потерями в СВЧ-тракте. В 2000–2010 гг. стали появляться современные измерительные систе- мы активного Load-Pull с открытым контуром согласования. Таким обра- зом удалось усовершенствовать более ранние системы активного Load-Pull и преодолеть ограничения пассив- ных систем [13]. Любая измеритель- ная система, будь то пассивная гармо- ническая, активная гармоническая или гибридно-активная, имеет свои преи- мущества и недостатки. Основными моментами, которые различают между собой техники реализации измерений Load-Pull, являются: метод измерения, максимально возможный коэффици- ент отражения в сечении тестируемо- го устройства, методология управления импедансом на гармониках, точность и скорость согласования и, конечно же, стоимость всей системы. Измерительные системы Load- Pull могут базироваться на скаляр- ных или векторных измерениях СВЧ- волн. Скалярные системы использу- ют ваттметр или анализатор спектра для измерения скалярных значений сигнала, которые затем пересчитыва- ются в сечение тестируемого компо- нента (процедура де-эмбеддинг). Век- торные системы базируются на вектор- ном анализаторе цепей, калибруемым в сечении тестируемого компонента для того, чтобы затем напрямую изме- рять векторы падающей и отражённой волн (a и b соответственно), что даёт более точные результаты и не требует де-эмбеддинга. Затем из полученных значений рассчитываются качествен- ные характеристики. Двухполюсник, определяемый S-параметрами и вол- нами a и b, показан на рисунке 3. Пас- сивный Load-Pull может быть реали- зован как в виде скалярной системы (измерения с помощью ваттметра), так и в виде векторной системы (измере- ния векторными приёмниками анали- затора цепей), в то время как активный Load-Pull требует обязательного нали- чия векторных приёмников для изме- рений волн a и b и определения импе- данса, представленного тестируемому компоненту. Пассивные импедансные тюнеры по своей природе являются широко- полосными устройствами. Это озна- чает, что согласующий элемент (зонд) внутри тюнера создаёт широкополос- ную серию отражённых волн, которая, вероятно, затрагивает несколько гар- монических частот, как показано на рисунке 4. С одним согласующим эле- ментом возможно контролировать импеданс на одной частоте, в то вре- мя как тюнер будет представлять широ- кополосный ряд импедансов на более высоких частотах, включающих гармо- ники. При каскадировании согласую- щих элементов внутри одного тюне- ра или при каскадировании несколь- ких тюнеров с одним зондом возможно управлять импедансом на энном коли- честве частот (где n – количество зон- дов). То есть тюнер с двумя зондами может управлять импедансами на двух частотах, и так далее [12]. В традиционной скалярной гармо- нической системе Load-Pull, подразу- мевающей каскадирование импеданс- ных тюнеров, максимально достижи- мая амплитуда на любой частоте есть сумма отражений каждого элемен- та минус потери в СВЧ-тракте между тюнерами и тестируемым устройством, таким образом R L (ТУ) = R L (тюнер) + + R L (соединения). В типичной уста- новке с 50-омной оснасткой на частоте 2,5 ГГц реально достижимым значе- нием коэффициента отражения на основной частоте будет |Г L | = 0,93, на второй гармонике отражение будет равно |Г L | = 0,9. В современных векторных пассив- ных измерительных системах Load- Pull между импедансным тюнером и тестируемым устройством (тести- руемым транзистором, ТУ) добавлены двунаправленные ответвители, которые увеличивают потери в СВЧ-тракте (R L ) и, следовательно, снижают максималь- но возможное отражение до 0,91 на основной частоте и до 0,85 на второй гармонике. Измерительные системы активного Load-Pull с открытым конту- ром согласования могут заменить пас- сивные импедансные тюнеры на цепь активного согласования, состоящую из источника СВЧ-сигнала с контроли- руемыми амплитудой и фазой. Вместо использования пассивного тюнера для отражения сигнала ТУ, СВЧ-генератор создаёт новый сигнал, который пода- ётся на выход ТУ, формируя требуемое отражение Г L = a 2 / b 2 . В гибридно-активной системе Load- Pull, использующей пассивный тюнер для управления импедансом на основ- ной частоте и активные цепи для согла- сования на гармониках, реальным достижимым значением коэффици- ента отражения на основной частоте будет |Г L | = 0,86 / 0,91, в то время как на второй гармонике возможно предста- вить отражения |Г L | > 1 (ограниченные лишь подаваемой на выход ТУ мощ- ностью). Полностью активная измерительная система Load-Pull не имеет ограниче- ний по амплитуде коэффициента отра- жения на любой частоте, на которой цепь активного согласования может представить достаточную мощность для удовлетворения условия Г L = a 2 / b 2 . Рис. 3. Двухполюсник, определённый S-параметрами и волнами a и b Рис. 4. Типовой широкополосный отклик зондов пассивного импедансного тюнера