【行业资讯】高功率RF放大器的发展趋势

“Communications High Power RF Amplifiers”（通信用高功率射频放大器，简称高功率RF放大器）作为无线通信领域的核心技术之一，其发展趋势主要体现在以下几个方面：

一、技术性能的提升

高集成度和小尺寸化：

随着无线通信设备的小型化和多功能化需求的增加，高功率RF放大器需要在有限的空间内实现更高的性能。因此，高集成度和小尺寸化成为重要的发展方向。通过微缩制造工艺和先进的封装技术，可以实现更高的集成度和更小的尺寸，从而满足设备小型化的需求。

功耗降低和能效提高：

移动通信设备的普及和无线物联网的兴起对电池寿命和能源管理提出了更高要求。高功率RF放大器在保证性能的同时，需要尽可能降低功耗，提高能效。通过采用低功耗设计和优化电路结构，可以在保持高性能的同时，延长电池寿命，提高能源利用效率。

二、频谱资源的优化利用

高效利用频谱和频段拓展：

随着无线通信用户的不断增加和频谱资源的有限性，高功率RF放大器需要通过高效利用频谱和拓展频段来满足日益增长的通信需求。通过采用先进的调制技术和频谱管理策略，可以实现更高的频谱利用率和更广泛的频段覆盖，提供更快速、稳定和可靠的通信服务。

三、安全性和隐私保护的加强

加强通信安全和隐私保护：

随着无线通信的普及和物联网的发展，对通信安全和用户隐私的保护要求越来越高。高功率RF放大器需要具备安全认证和加密功能，保护通信数据的安全性和用户隐私的保密性。通过采用先进的加密算法和安全认证技术，可以提供更高的安全性和隐私保护水平，保障用户的通信安全和隐私权益。

四、市场与应用的发展

市场需求增长：

移动通信技术的快速发展和智能设备的普及推动了高功率RF放大器市场的持续增长。特别是在5G商用和普及的背景下，具备无线通信功能的终端设备种类愈加丰富，对高功率RF放大器的需求也将不断增加。

应用领域的拓展：

除了传统的移动通信领域外，高功率RF放大器在物联网、智能交通、航空航天等领域的应用也将不断拓展。例如，在物联网领域，高功率RF放大器可以支持更多的终端设备接入网络，实现更广泛的物联网覆盖；在智能交通领域，高功率RF放大器可以支持车联网通信，提高交通系统的智能化和安全性。

五、技术创新与研发

新材料和新工艺的应用：

随着材料科学和工艺技术的不断进步，新型材料和工艺在高功率RF放大器中的应用将越来越多。例如，采用新型半导体材料（如氮化镓GaN）可以提高RF放大器的功率密度和效率；采用先进的制造工艺（如3D封装技术）可以提高RF放大器的集成度和性能。

智能化和自动化：

随着人工智能和自动化技术的不断发展，高功率RF放大器的设计、生产和测试过程也将更加智能化和自动化。通过引入智能化设计软件、自动化生产线和测试设备等技术手段，可以提高RF放大器的设计效率、生产效率和测试精度。

综上所述，“Communications High Power RF Amplifiers”技术领域的发展趋势包括技术性能的提升、频谱资源的优化利用、安全性和隐私保护的加强、市场与应用的发展以及技术创新与研发等多个方面。这些趋势将共同推动高功率RF放大器技术的不断进步和发展。

详解矢量负载牵引技术

由于通信制式越来越复杂，对放大器的线性度和效率要求越来越高。由于放大器的效率和线性度是个永恒的矛盾，所以如何平衡这样的矛盾达到系统设计的最优就是一个需要解决的难题。此时需要通过调节输入和输出端的阻抗，也就是负载牵引(Load-Pull)原理来改善增益压缩点，从而降低谐波的非线性失真，模拟功放的最大输出功率负载点，然后实现高转换效率、高输出功率，高线性功放等目的。

负载牵引方法可以找到让有源器件输出功率最大的输入、输出匹配阻抗。同理也可以得到让功率管效率最高的匹配阻抗。这种方法可以准确地测量出器件在大信号条件下的最优性能，反映出器件输入、输出阻抗随频率和输入功率变化的特性，为器件和电路的设计优化提供了坚实的基础。

什么是负载牵引？

RF功放在大信号工作时，最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而跟着改变，所以我们必须在史密斯圆图上(Smith chart)上，针对不同的输入功率，每给定一个输入功率，画出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线(Power contours)，从而帮助我们找出最大输出功率时的最佳负载阻抗，这种方法称为负载牵引（Load-Pull）。

负载牵引系统是改变射频微波器件输入源阻抗和输出负载阻抗的阻抗牵引系统，它可以测量出射频微波器件及功率芯片在不同源阻抗及负载阻抗下的各种工作参数，典型的被测件是功率晶体管、MMIC 及放大器。对于功率晶体管器件，可以测量出在最大输出功率、最佳功率附加效率或最佳线性特性下的源端和负载端的最佳阻抗匹配参数，从而优化放大器的设计性能及提高设计效率。

一、标量负载牵引系统

负载牵引系统已经被业界广泛使用 30 多年，大多数负载牵引系统都是使用两个 Tuner 配合信号源、功率计、频谱仪、网络分析仪及一些测试附件，其中网络分析仪只是用来完成对 Tuner 和系统附件 ( 包括夹具 ) 的校准，测量时不再使用网络分析仪，图 1 所示为典型负载牵引系统架构，这种系统配置仍然被很多客户使用，该系统也被称之为标量负载牵引系统。

测量参数包括：Pin，Pout, Gain, PAE 等

主要优势：成本低

图 1：典型负载牵引系统架构

二、矢量负载牵引系统

随着高端网络分析仪的普及，当前很多客户是基于 VNA 矢量接收机外加双定向耦合器及两台Tuner 实现矢量负载牵引测量，我们称之为矢量负载牵引系统，同时也称 LP-Wave 负载牵引系统。

矢量负载牵引系统是基于 VNA 的一种新颖的测量方法，与传统负载牵引测试系统不同的是在输入 Tuner 的后面和输出 Tuner的前面增加了两个低损耗的双定向耦合器，从而可以测量被测件的入射波、反射波和输出波，通常称之 A1、B1、A2 和 B2（见图2）。基于 A1、B1、A2 和 B2 参数，不仅可以非常方便地计算出被测件的 ΓS 和 ΓL、 真正的 PAE、AM-PM，和扩展为混合型负载牵引系统提高反射系数，而且还可以实现动态负载线、电压电流时域波形的测量及生成非线性大信号模型。

测量参数包括: Pin, Pout, Gain, PAE , Gamma-In/Out of DUT

主要优势:

图2：矢量负载牵引系统架构

VNA不仅可以作为激励信号源，也可以提供四个矢量接收机用来测量 A1、B1、A2和B2信号。

图 3：矢量负载牵引测量数据

三、混合型负载牵引系统

针对毫米波频段的被测件，大多数都是在片晶圆器件，因此测量需要探针台，不过探针台对于负载牵引测量而言相当于一个测试夹具，没有严格的要求，但是在系统集成及探针台改造是在片系统搭建的一个关键步骤。

通常使用电缆实现探针到阻抗调谐器之间的连接，电缆及探针的差损影响阻抗调谐器在探针尖参考端面的阻抗调谐范围。由于探针和电缆都不是精确的 50 欧姆阻抗，使得阻抗调谐器调谐范围的中心偏离 50 欧姆阻抗点，如图 4，图中黑色虚线圆为阻抗调谐器自身的阻抗调谐范围，图中红色虚线圆为阻抗调谐器经过电缆到达探针尖的阻抗调谐范围，现实中很多被测件的阻抗点很可能在红色虚线圆与黑色虚线圆之间，因此不能测量到被测件的最佳匹配点。

图 4 电缆和探针的差损及驻波对阻抗调谐范围的影响

为了解决在片负载牵引系统阻抗调谐范围不足的问题，通常都是采用混合型负载牵引系统，也就是在机械阻抗牵引的基础上增加有源阻抗牵引功能。如图5 给出的混合型负载牵引系统原理框图，除了两个核心的阻抗调谐器外，需要一台高端网络分析仪及两个双定向耦合器。

很多网络分析仪都内置两个信号源及至少四个接收机，使用网络分析仪的第一个信号源作为前向驱动信号，其中四个接收机用来测量入射波、反射波及传输波：A1、B1、A2 和 B2，ГLOAD=A2/B2，由于输出端阻抗调谐器受探针、电缆及双定向耦合器差损影响使得在其探针尖参考端面的反射系数缩小，也就是 ГLOAD 不能满足实际测试需求；使用网络分析仪的第二个信号源在输出端反向注入一个信号，同时改变其功率和相位，从而间接改变 A2 信号的幅度和相位，最终实现的 ГLOAD 的提高，这就是混合型负载牵引测量的原理。

在混合型负载牵引系统里，机械阻抗调谐器充当预匹配的功能。为了减少对反向注入信号功率的要求，阻抗调谐器始终保持与反向注入信号相位同步。

图 5：混合型负载牵引系统原理框图

由于多工器的带宽非常窄，宽带测量需要频繁更换多工器，而且市场上没有成熟的商业化的多工器，使得混合型谐波牵引功能实现起来较困难，因此成熟的混合型谐波负载牵引系统都是在负载端基波上增加有源牵引功能的谐波牵引系统。

四、探针以及探针台

为了探测电路性能，我们需要把信号传导到某类传输线上， 这意味着我们需要至少两个导体，即“信号导体”和“地导体”。因此三种探针类型如图：

图6：典型探针类型

除了以上基本的GSG, GS, SG类型的探针，还有各种组合，如GSGSG，GSSG，SGS等等。探针本身需要很好的匹配内部不同传输媒介的特征阻抗，要求保证在不同传输模式下电磁能量的高效传输。

而探针台可以固定晶圆或芯片，并精确定位待测物。手动探针台的使用者将探针臂和探针安装到操纵器中，并使用显微镜将探针尖端放置到待测物上的正确位置。一旦所有探针尖端都被设置在正确的位置，就可以对待测物进行测试。

综上所述，要实现负载牵引系统需要以下配置

负载牵引系统配置：

名称

数量

矢量网络分析仪

1

稳压电源

1

超宽带阻抗调谐器

2

宽带放大器

2

宽带Bias Tee

2

宽带耦合器

2

探针台

1

探针

2

射频线缆/转接器

若干

SP800P系列矢量网络分析仪是普尚最高性能的综合微波测试仪表，具有2或4端口，并可通过多端口扩展设备进行端口扩展，当SP800P系列配置选件 222、224 或 4xx 时，仪器内置第二源，在混合型负载牵引系统中满足实际测试需求。如有更多技术咨询，欢迎联系我们，普尚期待与您的交流！

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