功率放大器非线性测量和设计的新范例

功率放大器非线性测量和设计的新范例— NVNA非线性矢量网络仪和ADS基于X参数的功放设计

非线性测量和设计的创新技术— X参数

频率覆盖10MHz-13.5/26.5/43.5/50GHz

我很清楚我所设计的放大器增益随着负载的变化而变化，但是

传统的“Hot S22”在非线性条件下并不能帮我解决问题。

当我将各级功率放大器级联时，总的输出结果并没有像我所想

象的那样。不知道到底是怎么回事? 因此我需要新的工具，能让我

深入了解器件的非线性特性。

如果我能够获得器件基波及谐波的幅度和相位信息，将大大节

省我花在功率合成放大器的匹配电路设计上的时间。

半导体厂家提供的管芯的小信号S参数对我设计放大器几乎没

有作用，我需要大信号激励下管芯的非线性参数。我真希望有一种

测量工具能让我提取出完全表征器件非线性特性的参数。

传统的负载牵引系统并不能帮我解决大信号模型问题，因此我

需要新方法帮我快速提取出器件的大信号模型，从而让我使用ADS

软件有效而且快速地设计出满足指标的功率放大器。

安捷伦科技非线性矢量网络分析仪

(NVNA)荣获《电子产品世界》2008

年度产品奖, 2008年EDN创新奖,

并被选为射频和微波年度最佳产品

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众所周知，功率放大器是每个发射机系统的核心部件，随着雷达应用、卫概述

星通信及无线通信的迅速发展，要求研发工程师和科学家们不断地研究和设计

出具有更高的输出功率、更高的功率附加效率以及更高的线性度等指标的功率

放大器，以满足更快的数据通信、更宽的雷达信号等需求。这就需要不断提高

半导体功率管的性能，并把对半导体功率管的应用扩展到其性能的极限，经常

使其进入到半导体功率管的非线性工作区域甚至饱和状态。器件的非线性特性

非常容易给雷达系统、卫星系统及通信系统造成严重问题，往往是信息之间互

相干扰、系统有效带宽下降的最主要原因。如何更深刻地了解并掌握器件与电

路的非线性特性是每个射频工程师每天所面临的棘手难题，急需解决。而现有

的工具和手段并不能有效地帮助工程师解决这些

问题。因此，处理非线性问题需要使用超越今天

我们测试线性参数范畴的新工具，这种全新的

工具能够让工程师快速地获得完全表征功率管

非线性行为的非线性参数，从而能够进行

快速建模、仿真并且彻底改善新技术

产品的设计流程。

当今，雷达系统、卫星系统及

当前的问题

无线通信系统的研发工程师和科学家

的目标很明确: 高效和精确地仿真设计

功率放大器。仿真和设计必然需要功率管的大信号模型，但是很多半导体厂家

并不提供设计功放所需要的功率管的大信号模型。有些客户自己曾经试图使用

直流信号分析仪结合网络仪测量S参数提取Spice物理模型，最后通过数学运

算拟合出大信号模型，但是这个过程很漫长而且往往不准确。另外，由于在非

线性器件和系统的设计过程中一直没有一个集建模、仿真和测试于一体的方

案，工程师们只能依赖信息量很有限的小信号S参数并根据各自的经验，花费

大量时间和成本做大量的设计迭代实验，使得整个设计过程变得既费时又昂

贵。为改变目前困境，就需要工程师能够精确快速地提取功率管的大信号模

型，使其掌握器件的线性和非线性行为性特性，同时还需要在ADS软件中准

确地仿真出功率管的非线性行为。

现在也有部分客户逐渐接受负载牵引系统的概念，但是单纯的负载牵引系

统不能够满足客户快速高效地设计高性能功放的需求，原因在于负载牵引系统

存在一些不足:

●负载牵引系统特别消耗时间，不能够在扫频、扫功率及扫直流偏置模式下测

量等高线。

●不能提供完整的大信号模型，因此不能让设计师有效地使用EDA工具进行

功放的设计和仿真。

●没有考虑谐波分量及谐波分量对基波的影响，无法测量出谐波的相位信息，

但是功放非线性设计必须考虑谐波成分。

●即使可以把负载牵引测试数据导入EDA工具，但是由于只有功率信息，没

有直流信息、谐波信息等。因此只能仿真功率等高线，不能仿真谐波的幅度

相位、功率效率等高线、交调失真及ACPR等。

现在安捷伦推出了全新的解决方案使工程师在对有源器件建模、仿真及设

计时，显著减少花费在设计迭代上的时间，从而让我们加快新产品推向市场的

速度。

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解决方案

为了解决传统小信号S 参数的问题，安捷伦公司于2008年提出了X 参数概念，X 参数是对S 参数在大信号激励下的数学扩展，不仅包含基波分量而且包括谐波分量，使其代替S 参数完全表征功率管的线性和非线性的行为。X 参数可以直接使用安捷伦公司的非线性矢量网络仪 (简称NVNA) 测量得到。测量X 参数就像工程师使用标准网络仪测量S 参数一样非常方便。NVNA 在得到X 参数后，自动转化为大信号模型MDIF 格式文件，安捷伦称其模型为多次谐波失真模型 (简称PHD 模型，Poly-Harmonic Distortion Model)。PHD 模型可以直接导入ADS 进行非线性仿真和设计，PHD 模型支持ADS 的谐波平衡仿真和电路包络仿真，因此可以仿真出输出功率等高线、功率附加效率等高线、动态负载线、谐波幅度相位、交调失真、电压电流波形及ACPR 等所有工程师需要的参数。最终极大地提高客户的设计效率，而且设计出所满足指标的功率放大器。图1: 功率管多次谐波失真架构X 参数是S 参数在数学上更为严谨的扩展集。为了更形象地表征X 参数，图1给出了功率管多次谐波失真的架构，X 参数正是基于这个架构给出定义。A1为大信号激励信号，B1为经过功率管的反射信号，B2为功率管输出的传输信号，A2是由于负载不完全匹配引入的反射信号; A1和A2为激励信号，B1和B2为响应信号。X 参数表征响应信号的基波、谐波与激励信号的基波、谐波之间的相互关系，公式1给出X 参数的数学表达式，例如: X T 21,13意思是端口1的三次谐波为激励信号与端口2的基波响应之间的关系。X 参数是专门用来表征和分析射频功率器件的线性和非线性特性的一种更可靠、更完整的方法，作为S 参数在大信号工作环境下的扩展，X 参数的测量条件是首先是使用一个大信号要把被测器件推动到压缩区或饱和区 (这也是很多元器件的实际工作状态)，然后使用另外一个小信号依次模拟A1的每个谐波分量及A2的基波和每个谐波分量，从而测量出谐波的响应。由于X 参数是在功率管的实际工作状态下测量出来的，并且包含每个谐波分量的响应，所以X 参数真正代表了功率管的真实特性。结合Maury 公司的阻抗Turner 可以得到任意负载阻抗下的X 参数，从而使X 参数可以覆盖整个Smith 圆图。X 参数支持级联仿真，这就解决了工程师在设计多级级联功放时所遭遇的种种困难。指数定义: i = 输出端口指数 j = 输出频谱阶数 k =输入端口指数 l = 输入频谱阶数公式1: X 参数数学表达式

A 1A 2

B 1B 2X-参数4