諧波阻抗調(diào)配器校準(zhǔn)技術(shù)研究

霍 曄 吳愛華 梁法國 欒 鵬 王一幫 劉 晨

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

1 引 言

射頻和微波晶體管放大器的電流、電壓及功率參數(shù)是與阻抗相關(guān)的自然屬性。諧波阻抗調(diào)配器廣泛應(yīng)用于負(fù)載牽引測量系統(tǒng)中[1-4]，例如：高功率、高效率射頻放大器的設(shè)計[5-7]，放大器對于諧波阻抗比較敏感，在諧波頻率上設(shè)計獨特的負(fù)載阻抗會對功率放大器的效率產(chǎn)生一定的影響，因此，進行阻抗調(diào)諧有利于提高放大器的效率。負(fù)載牽引測量系統(tǒng)中源端的基波阻抗調(diào)配器，在輸入端為被測件(DUT)提供匹配阻抗，輸出端的諧波阻抗調(diào)配器作用體現(xiàn)在兩方面：首先，在基波頻率將DUT預(yù)匹配到50Ω；其次，它可以在二次諧波頻率和三次諧波頻率上獨立優(yōu)化諧波阻抗。

基波阻抗調(diào)配器的校準(zhǔn)已有相關(guān)介紹[8,9]，但有關(guān)諧波阻抗調(diào)配器的校準(zhǔn)工作未見報道，本文在基波阻抗調(diào)配器校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上研究諧波阻抗調(diào)配器的校準(zhǔn)工作。

2 諧波阻抗調(diào)配器的工作原理

諧波阻抗調(diào)配器的基本組成：控制電路(用于控制諧波阻抗調(diào)配器調(diào)節(jié)阻抗?fàn)顟B(tài))，射頻連接器接口(用于連接測量系統(tǒng))，探子載架和橫向移動的電機(用于調(diào)節(jié)基波和諧波阻抗的相位)；空氣線(用于傳輸信號)，基波和諧波高、低頻探子及步進電機(用于調(diào)節(jié)基波和諧波阻抗的幅度)。

諧波阻抗調(diào)配器工作原理如圖1所示?？刂菩盘柺怯捎嬎銠C發(fā)出探子和探子載架的位置參數(shù)，通過以太網(wǎng)或USB電纜發(fā)送到諧波阻抗調(diào)配器，通過改變其內(nèi)部的探子載架及橫向移動的步進電機水平方向的位置來改變基波和諧波阻抗的相位，通過改變其內(nèi)部的高、低頻探子豎直方向的位置來改變基波和諧波阻抗的幅值，把諧波阻抗調(diào)配器加入到射頻和微波測量系統(tǒng)中，通過軟件控制其內(nèi)部步進電機的位置，從而合成出想要得到的基波和諧波阻抗，因此可以測量被測件(DUT)在任意阻抗條件下的實際性能，即諧波負(fù)載牽引測量。

圖1 諧波阻抗調(diào)配器工作原理圖Fig.1 Working principle of the Multi-Harmonic Tuner

3 諧波阻抗調(diào)配器校準(zhǔn)

從結(jié)構(gòu)和工作原理分析，理論上諧波阻抗調(diào)配器的基波探子和諧波探子可通過軟件同時控制，且互不干擾，本文將通過校準(zhǔn)來驗證。校準(zhǔn)方案為：校準(zhǔn)基波參數(shù)時，諧波探子處于初始化位置，校準(zhǔn)諧波參數(shù)時，基波探子處于初始化位置,參照基波阻抗調(diào)配器的校準(zhǔn)步驟[9]對諧波阻抗調(diào)配器進行校準(zhǔn)，各參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別與出廠測試數(shù)據(jù)對比。

本文選擇的被校諧波阻抗調(diào)配器是加拿大FOCUS公司生產(chǎn)的MPT-LITE-4030(二次諧波)，其主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)為：頻率范圍(3～40)GHz，矢量重復(fù)性≤40dB。該諧波阻抗調(diào)配器共有4個探子(基波2個、諧波2個)，(3～6.5)GHz是低頻探子(基波探子：PL1，諧波探子：PL2)，(6.5～40)GHz是高頻探子(基波探子：PH1，諧波探子：PH2)。為驗證校準(zhǔn)方法的合理有效，選擇的頻率范圍及校準(zhǔn)點與出廠測試數(shù)據(jù)保持一致。

校準(zhǔn)前，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和諧波阻抗調(diào)配器預(yù)熱30min，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置輸出功率為-5dBm，中頻帶寬100Hz，在(3～40)GHz頻段內(nèi)用85056D機械校準(zhǔn)件對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行全二端口校準(zhǔn)。分別對諧波阻抗調(diào)配器的最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)、初始化狀態(tài)電壓駐波比、初始化狀態(tài)插入損耗、矢量重復(fù)性、相位分辨力進行校準(zhǔn)。

3.1 最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)的校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)基波(諧波)時，諧波(基波)探子處于初始化位置，用軟件分別控制基波(諧波)高、低頻探子到最大失配點，用校準(zhǔn)過的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，測量結(jié)果如圖2至圖5所示。

圖2 基波低頻(3～13)GHz探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)Fig.2 Maximum VSWR of the fundamental wave probes(3～13)GHz

圖3 基波高頻(6.5～40)GHz探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)Fig.3 Maximum VSWR of the fundamental wave probes(6.5～40)GHz

圖4 諧波低頻(3～13)GHz探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)Fig.4 Maximum VSWR of the harmonic wave probes(3～13)GHz

圖5 諧波高頻(6.5～40)GHz探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)Fig.5 Maximum VSWR of the harmonic wave probes(6.5～40)GHz

圖2中，在(3～13)GHz頻段范圍內(nèi)基波低頻探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在6GHz頻點最大差值為0.54，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖3中，在(6.5～40)GHz頻段范圍內(nèi)基波高頻探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在35GHz頻點最大差值為0.36，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖4中，在(3～13)GHz頻段范圍內(nèi)諧波高頻探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在8GHz頻點最大差值為0.36，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖5中，在(6.5～40)GHz頻段范圍內(nèi)諧波高頻探子最大可調(diào)配范圍(最大電壓駐波比)的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在10GHz頻點最大差值為0.35，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

3.2 初始化狀態(tài)電壓駐波比的校準(zhǔn)方法

基波和諧波探子均位于初始化位置，用校準(zhǔn)過的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，測量結(jié)果如圖6所示。在(3～40)GHz頻段范圍內(nèi)初始化狀態(tài)電壓駐波比的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在40GHz頻點最大差值為0.031，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖6 初始化狀態(tài)電壓駐波比曲線圖Fig.6 VSWR of the initial state

3.3 初始化狀態(tài)插入損耗的校準(zhǔn)方法

基波和諧波探子均位于初始化位置，用校準(zhǔn)過的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，測量結(jié)果如圖7所示。在(3～40)GHz頻段范圍內(nèi)初始化狀態(tài)插入損耗的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在40GHz頻點最大差值為0.05dB，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖7 初始化狀態(tài)插入損耗曲線圖Fig.7 Insertion loss of the initial state

3.4 矢量重復(fù)性的校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)基波(諧波)時，諧波(基波)探子處于初始化位置，用校準(zhǔn)過的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，測量結(jié)果如圖8至圖13所示。

圖8 3GHz頻點基波探子矢量重復(fù)性曲線圖Fig.8 Vector repeatability of the fundamental wave probes at 3GHz

圖9 16GHz頻點基波探子矢量重復(fù)性曲線圖Fig.9 Vector repeatability of the fundamental wave probes at 16GHz

圖10 40GHz頻點基波探子矢量重復(fù)性曲線圖Fig.10 Vector repeatability of the fundamental wave probes at 40GHz

圖11 3GHz頻點諧波探子矢量重復(fù)性曲線圖Fig.11 Vector repeatability of the harmonic wave probes at 3GHz

圖12 16GHz頻點諧波探子矢量重復(fù)性曲線圖Fig.12 Vector repeatability of the harmonic wave probes at 16GHz

圖13 40GHz頻點諧波探子矢量重復(fù)性曲線圖Fig.13 Vector repeatability of the harmonic wave probes at 40GHz

圖8中，在3GHz頻點基波探子矢量重復(fù)性在反射系數(shù)0.1～0.8時的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在反射系數(shù)為0.2時最大差值為1.9dB，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖9中，在16GHz頻點基波探子矢量重復(fù)性在反射系數(shù)0.1～0.8時的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在反射系數(shù)為0.3時最大差值為1.6dB，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖10中，在40GHz頻點基波探子矢量重復(fù)性在反射系數(shù)0.1～0.8時的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在反射系數(shù)為0.2時最大差值為1.5dB，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖11中，在3GHz頻點諧波探子矢量重復(fù)性在反射系數(shù)0.1～0.8時的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在反射系數(shù)為0.1時最大差值為1.5dB，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖12中，在16GHz頻點諧波探子矢量重復(fù)性在反射系數(shù)0.1～0.8時的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在反射系數(shù)為0.2時最大差值為1.3dB，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

圖13中，在40GHz頻點諧波探子矢量重復(fù)性在反射系數(shù)0.1～0.8時的出廠測試數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線變化趨勢相似，在反射系數(shù)為0.6時最大差值為1.1dB，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠測試數(shù)據(jù)一致性較好，校準(zhǔn)方法可行。

4 矢量重復(fù)性分析

從圖8～圖13數(shù)據(jù)分析，矢量重復(fù)性的校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)比出廠測試數(shù)據(jù)要差一些，矢量重復(fù)性的定義有三種,分析原因如下。

1)常規(guī)矢量重復(fù)性：如圖14(a)所示，點1為諧波阻抗調(diào)配器指定位置(參考點)的S參數(shù)，點2為諧波阻抗調(diào)配器偏離指定位置后再次回到相同位置的S參數(shù)，兩點S參數(shù)的矢量差值為et，則常規(guī)矢量重復(fù)性計算公式為

et(dB)=20log10(|et|)

2)平均矢量重復(fù)性：如圖14(b)所示設(shè)置諧波阻抗調(diào)配器到參考點位置，測得參考點的S參數(shù)，偏離參考點位置測量多次(≥6次)并測得其S參數(shù),S參數(shù)的平均值與參考點S參數(shù)的矢量差值為emean,則平均矢量重復(fù)性計算公式為

emean(dB)=20log10(|emean|)

3)最差矢量重復(fù)性：如圖14(b)所示設(shè)置諧波阻抗調(diào)配器到參考點位置，測得參考點的S參數(shù)，偏離參考點位置測量多次(≥6次)并測得其S參數(shù)，取偏離參考點最大的S參數(shù)與參考點S參數(shù)的矢量差值為emax，則矢量重復(fù)性計算公式為

emax(dB)=20log10(|emax|)

圖14 矢量重復(fù)性示意圖Fig.14 Vector repeatability

廠家采用方法1)進行校準(zhǔn)，此方法的優(yōu)勢為速度快，但2點的S參數(shù)不固定，會以1點為圓心隨機分布在其周圍，具有一定的隨機性，可能下一次測量時et的值偏差變大，這樣用戶的使用會達(dá)不到預(yù)期的效果。

校準(zhǔn)規(guī)范[9]中采用方法2)進行校準(zhǔn)，此方法的優(yōu)勢為減小了隨機誤差，但校準(zhǔn)時間較長，計算量大，過程繁瑣，與用戶的實際使用情況不相符。

本文采用方法3)進行校準(zhǔn)，因為用戶每一次測量都是隨機的，取最差值能保證諧波阻抗調(diào)配器的性能指標(biāo)，滿足用戶的使用要求，所以此方法的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)一般會比出廠測試數(shù)據(jù)差，但此方法更貼近實際應(yīng)用，校準(zhǔn)矢量重復(fù)性時推薦此方法。

3.5 相位分辨力的校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)基波(諧波)時，諧波(基波)探子處于初始化位置，用校準(zhǔn)過的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，測量結(jié)果如圖15和圖16所示。此參數(shù)廠家未給出廠測試數(shù)據(jù)。

圖15 基波探子相位分辨力曲線圖Fig.15 Phase resolution of the fundamental wave probes

圖16 諧波探子相位分辨力曲線圖Fig.16 Phase resolution of the harmonic wave probes

圖15中，廠家未給相位分辨力的測試數(shù)據(jù)，(3～40)GHz頻段內(nèi)隨著頻率增加基波探子相位分辨力校準(zhǔn)值變大，符合相位分辨力的變化趨勢。

圖16中，廠家未給相位分辨力的測試數(shù)據(jù)，(3～40)GHz頻段內(nèi)隨著頻率增加諧波探子相位分辨力校準(zhǔn)值變大，符合相位分辨力的變化趨勢。

5 結(jié)束語

通過介紹諧波阻抗調(diào)配器的用途和工作原理，設(shè)計了校準(zhǔn)方案，完成了(3～40)GHz的諧波阻抗調(diào)配器計量校準(zhǔn)工作，研究了諧波阻抗調(diào)配器關(guān)鍵參數(shù)，即矢量重復(fù)性的定義及其優(yōu)缺點。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與出廠數(shù)據(jù)較吻合，關(guān)鍵參數(shù)符合說明書技術(shù)指標(biāo)，因此本文對諧波阻抗調(diào)配器的校準(zhǔn)方法可行。