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随着日益增加的智能手机和无线互联网3G覆盖范围以及4G系统即将引入带来的持续压力，数字通信射频组件的设计活动越来越丰富。设计活动的前沿在于功率放大器(PA)的开发。PA设计工程师面对的首要问题是功率所增加的效率(PAE)。高PAE意味着：
• 移动设备的电池寿命增加
• 基站天线覆盖面最大化，网络提供商的电费降低
• 能够以更高的价格出售性能更高的器件，最终实现每晶圆片更高的收益回报
数字调制方案（如PSK、QAM以及OFDM）可实现高峰均比(PAR)的调制射频载波。PA设计工程师必须考虑放大具有高PAR的通信信号的后果，同时保持线性和可接受的误差矢量幅值(EVM)率。线性矢量网络分析仪(VNA)提供关于线性条件下工作的功率放大器性能的基本信息。然而，当PA设计用于高功率级的压缩非线性工作时，VNA必须提供额外数据。
VNA能够测量主动和被动器件及系统的S参数。测量主动器件时，测量在线性增益小型信号器件上进行。测量小型信号放大器时，Anritsu（安立）的线性VectorStar VNA可提供内置功能，全面分析主动器件。表1概列了VectorStar MS4640A系列的性能。
非线性VNA的一个重要功能在于不仅可测量谐波含量，还可测量基频信号，提供性能数据，从而有助于实现最佳的非线性PA设计。此外，非线性分析的一个关键要素是负载牵引测量，尤其是谐波负载牵引的测量。负载牵引分析对于适当提升主动器件的性能十分必要。为优化非线性器件性能，提供给器件的匹配必须在基频和谐波频率方面均加以优化。
表1 VectorStar MS4640A系列性能
Anritsu/HFE 非线性 VectorStar VNA
VectorStar非线性系统提供可选被动或主动调谐器。主动调谐器的重要优势在于，能够对被测器件(DUT)提供全范围负载，确保最佳性能。这对于非线性器件尤为重要，因为很多级别的非线性运行要求谐波反射伽玛为 1，以实现最佳性能（图1）。
图 1 非线性VectorStar工作示意图
为什么选择非线性器件？
非线性功率放大器的设计从晶片级开始。片上器件最终嵌入一个50Ω系统。片上主动器件的输入阻抗并非50Ω，而大多数高功率器件的输出阻抗通常在1到2Ω之间。为将片上器件的输入和输出转换至50Ω系统，需要一个匹配网络。由于器件谐波含量大，匹配网络必须包括基频和谐波频率组件的最佳匹配。提供关于相对于源和负载阻抗的器件性能的信息是非线性VNA测量系统的主要目标。因此，负载牵引流程是非线性测量系统的核心。
典型的负载牵引系统将耦合器定位于调谐器外部，监控器件随调谐器阻抗变化的功率输出。此方法要求预先校准调谐器。典型负载牵引设置的测量精度取决于校准后调谐器、电缆和接头的可重复性。这种传统配置内的调谐器由供应商提供的校准和控制软件进行控制，存在调谐器软件与非线性VNA软件之间关系复杂的问题。由于很多器件需要进行大面积史密斯图表调谐，校准往往需要数小时。
通过在DUT和调谐器之间插入一个超低损耗耦合器，Anritsu/HFE 系统重新定义负载牵引测量。由于VectorStar系统将耦合器定位于DUT旁，因此可实现DUT源和负载阻抗的高精度测量。此外，还提供了同时实时监控阻抗和DUT性能的方法，实现回应即时显示和实时调谐。该方法也避免了需要预先校准的麻烦。
图2 相对谐波负载阻抗的PAE性能典型标绘
