负载牵引系统校准结果性能评价方法研究

2022-03-09王一帮吴爱华胡海龙

计量学报 2022年1期

栾鹏，杜静，王一帮，刘晨，吴爱华，胡海龙

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051；2.陆军步兵学院，河北石家庄 050083；3.西安卫星测控中心，陕西西安 710043)

1 引言

负载牵引是通过调配被测器件的源端或负载端阻抗，使用功率测量方法得到其大信号参数(功率、附加效率、转换增益等)性能变化的测量技术[1～3]。使用前的系统自校准后性能直接决定了负载牵引测量的效果。

目前针对在片负载牵引测量系统校准或验证的手段主要包括：使用直通线对系统的转换增益误差ΔGT进行系统验证测量[4,5]；或者使用失配衰减网络作为传递件，模拟被测件在不同阻抗下的ΔGT进行系统校准[6]；厂家认为测量直通的ΔGT满足一定条件(例如0.3 dB)时系统自校准通过[7,8]，若以失配衰减网络作为传递件进行校准时反映的系统校准误差会更大。按文献[9]进行系统不确定度评估时，校准结果偏差可能达到0.6 dB以上。无论哪种校准偏差结果，设计师都无法有效掌握系统测量性能。负载牵引系统使用者更关心的是负载系统ΔGT大小对测量的输出功率、附加效率的影响，以及ΔGT多大时，系统测量误差已超出承受范围[10～14]。

本文介绍了一种采用衰减量替代ΔGT的方法，给出输出功率Pout及功率附加效率PAE与ΔGT间的量化关系，设计师可根据ΔGT的校准结果，结合输出功率Pout或功率附加效率PAE的大小，通过量化曲线图直观快速得到Pout及PAE的不确定度。本文以ΔGT为自变量，给出Pout及PAE的变化量值ΔPout和ΔPAE的曲线图，将系统校准结果快速转换为用户关心指标。

2 方法设计

为了得到上述量化曲线，假设除了在功率或增益测量上存在测量误差，其它条件都是理想的负载牵引测量系统，并且将所有的增益误差都呈现在负载一端，那么就可以将插入损耗作为ΔGT来处理。

GT及PAE可通过式(1)～式(3)计算得到。

PDC=Vd×Id

(1)

GT=Pout(dB)-Pin(dB)

(2)

(3)

式中：PDC为功率器件的直流功率；Vd为施加功率器件上的电压；Id为施加功率器件上的电流；Pin为器件输入功率。由式(2)、式(3)可知ΔPAE与ΔGT大小应该呈近似线性正相关；由式(2)可知ΔPout与ΔGT之间应该呈等量线性关系。

实验步骤如下：

1)使用R&S公司的测量接收机FSMR在 8 GHz 对精密极化可变步进衰减器以0.1 dB为步进进行衰减校准；

2)负载牵引系统配置如图1所示，在负载阻抗调配器(load tuner)的后端模块中接入0.1 dB/1dB极化可变步进衰减器；

图1 衰减替代测量示意图

3)将可变衰减器设为起始衰减位置，对在片负载牵引系统进行校准；

4)负载牵引测量系统设置频率：8 GHz，输入功率：12 dBm；探针连接DUT(功率芯片PDC=492.3 mW。)，先通过调配前端模块中的源阻抗调配器，找到最大输出功率对应的阻抗点(7.61+30.57j)，并固定该源阻抗位置；

4)调配load tuner，找到最大功率点对应的阻抗点，并记录Pout、PAE；

5)以0.1 dB步进，改变可变步进衰减器，记录对应的Pout、PAE;

6)在阻抗圆图上改变负载阻抗位置，重复第4、第5步，并记录相应结果到表1中。

表1 不同衰减量下的输出功率、附加效率结果

可变衰减器起始衰减为4.2 dB，连接可变衰减器，被测件阻抗点1～3的PAE分别为24%、23%、16%。由于增加了可变衰减器，降低了被测件的功率附加效率(PAE)。为了反映被测件在不同功率附加效率下转换增益测量误差ΔGT与PAE间的关系，作出曲线族，便于设计人员查询，将阻抗点1的输出功率Pout1测量结果减小2 dB(PAE=5%)；将Pout1～Pout3增加4.2 dB(PAE=68%，58%，31%)、增加5.2 dB(PAE=40%，74%，87%)来扩展PAE的上下限，并对测量结果绘图如图2、图3所示。

图2 输出功率附加效率测量误差ΔPAE与转换增益误差ΔGT关系曲线

图3 输出功率误差ΔPout与转换增益误差ΔGT关系曲线

从图2可见，输出功率附加效率与转换增益保持近似的线性关系，且随着功率附加效率的增加其变化量增加。从图3可见，输出功率与转换增益的变化量基本是等量线性变化的。当功率管的输出功率附加效率PAE在70%左右，ΔGT为0.5 dB时，对应的输出功率误差约为0.5 dB，功率附加效率PAE的误差约为8.5%。