由于通信制式越來越復(fù)雜，對放大器的線性度和效率要求越來越高。由于放大器的效率和線性度是個永恒的矛盾，所以如何平衡這樣的矛盾達到系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)就是一個需要解決的難題。此時需要通過調(diào)節(jié)輸入和輸出端的阻抗，也就是負載牽引(Load-Pull)原理來改善增益壓縮點，從而降低諧波的非線性失真，模擬功放的大輸出功率負載點，然后實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率、高輸出功率，高線性功放等目的。負載牽引方法可以找到讓有源器件輸出功率大的輸入、輸出匹配阻抗。同理也可以得到讓功率管效率高的匹配阻抗。這種方法可以準確地測量出器件在大信號條件下的優(yōu)性能，反映出器件輸入、輸出阻抗隨頻率和輸入功率變化的特性，為器件和電路的設(shè)計優(yōu)化提供了堅實的基礎(chǔ)。

     什么是負載牽引？ 

     RF功放在大信號工作時，佳負載阻抗會隨著輸入信號功率的增加而跟著改變，所以我們必須在史密斯圓圖上(Smith chart)上，針對不同的輸入功率，每給定一個輸入功率，畫出在不同負載阻抗時的等輸出功率曲線(Power contours)，從而幫助我們找出大輸出功率時的佳負載阻抗，這種方法稱為負載牽引（Load-Pull）。

     負載牽引系統(tǒng)是改變射頻微波器件輸入源阻抗和輸出負載阻抗的阻抗牽引系統(tǒng)，它可以測量出射頻微波器件及功率芯片在不同源阻抗及負載阻抗下的各種工作參數(shù)，典型的被測件是功率晶體管、MMIC 及放大器。對于功率晶體管器件，可以測量出在大輸出功率、功率附加效率或佳線性特性下的源端和負載端的阻抗匹配參數(shù)，從而優(yōu)化放大器的設(shè)計性能及提高設(shè)計效率。

01 標量負載牽引系統(tǒng)

      負載牽引系統(tǒng)已經(jīng)被業(yè)界廣泛使用 30 多年，大多數(shù)負載牽引系統(tǒng)都是使用兩個 Tuner 配合信號源、功率計、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀及一些測試附件，其中網(wǎng)絡(luò)分析儀只是用來完成對 Tuner 和系統(tǒng)附件 ( 包括夾具 ) 的校準，測量時不再使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，圖 1 所示為典型負載牽引系統(tǒng)架構(gòu)，這種系統(tǒng)配置仍然被很多客戶使用，該系統(tǒng)也被稱之為標量負載牽引系統(tǒng)。

      測量參數(shù)包括：Pin，Pout, Gain, PAE 等

主要優(yōu)勢：成本低 

圖 1：典型負載牽引系統(tǒng)架構(gòu)

02 矢量負載牽引系統(tǒng)

      隨著網(wǎng)絡(luò)分析儀的普及，當(dāng)前很多客戶是基于 VNA 矢量接收機外加雙定向耦合器及兩臺Tuner 實現(xiàn)矢量負載牽引測量，我們稱之為矢量負載牽引系統(tǒng)，同時也稱 LP-Wave 負載牽引系統(tǒng)。

     矢量負載牽引系統(tǒng)是基于 VNA 的一種新穎的測量方法，與傳統(tǒng)負載牽引測試系統(tǒng)不同的是在輸入 Tuner 的后面和輸出 Tuner的前面增加了兩個低損耗的雙定向耦合器，從而可以測量被測件的入射波、反射波和輸出波，通常稱之 A1、B1、A2 和 B2（見圖2）。基于 A1、B1、A2 和 B2 參數(shù)，不僅可以非常方便地計算出被測件的 ΓS 和 ΓL、 真正的 PAE、AM-PM，和擴展為混合型負載牽引系統(tǒng)提高反射系數(shù)，而且還可以實現(xiàn)動態(tài)負載線、電壓電流時域波形的測量及生成非線性大信號模型。

     測量參數(shù)包括: Pin, Pout, Gain, PAE , Gamma-In/Out of DUT

主要優(yōu)勢:

1、基于 VNA 的矢量接收機模式，實時測量 A1、B1、A2和 B2 波。可以精準計算出 ΓS、ΓL、PAE 及 AM-PM 等參數(shù)。

2、測試精度高。 VNA 相對于功率計有非常高的動態(tài)范圍；第二， VNA 不僅可以實現(xiàn)對外圍所有測試附件的校準工作，并且支持基于失配誤差修正的功率校準技術(shù)；第三，阻抗的精度不是取決于機械 Tuner的校準精度，而是取決于網(wǎng)絡(luò)儀四個接收機的實時測量精度。

3、維護成本低。簡化的測試系統(tǒng)省去了額外的測試儀表，并且使得校準及測試工作異常簡單，從而降低系統(tǒng)維護成本。

4、同時支持負載牽引測試和S參數(shù)測試

5、支持升級到時域和混合型負載牽引測試系統(tǒng)

6、測試速度快。兩個原因，一是 Focus 公司的所有自動化 Tuner 都是支持 iTuner 技術(shù)，并且每個 Tuner 內(nèi)置微處理器及命令語言；二是 VNA 代替了傳統(tǒng)負載牽引系統(tǒng)里使用的信號源、功率計、頻譜儀等儀表，使得測試系統(tǒng)架構(gòu)簡化。 

圖2：矢量負載牽引系統(tǒng)架構(gòu)

     VNA不僅可以作為激勵信號源，也可以提供四個矢量接收機用來測量 A1、B1、A2和B2信號。 

圖 3：矢量負載牽引測量數(shù)據(jù)

03  混合型負載牽引系統(tǒng)

     針對毫米波頻段的被測件，大多數(shù)都是在片晶圓器件，因此測量需要探針臺，不過探針臺對于負載牽引測量而言相當(dāng)于一個測試夾具，沒有嚴格的要求，但是在系統(tǒng)集成及探針臺改造是在片系統(tǒng)搭建的一個關(guān)鍵步驟。

    通常使用電纜實現(xiàn)探針到阻抗調(diào)諧器之間的連接，電纜及探針的差損影響阻抗調(diào)諧器在探針尖參考端面的阻抗調(diào)諧范圍。由于探針和電纜都不是精準的 50 歐姆阻抗，使得阻抗調(diào)諧器調(diào)諧范圍的中心偏離 50 歐姆阻抗點，如圖 4，圖中黑色虛線圓為阻抗調(diào)諧器自身的阻抗調(diào)諧范圍，圖中紅色虛線圓為阻抗調(diào)諧器經(jīng)過電纜到達探針尖的阻抗調(diào)諧范圍，現(xiàn)實中很多被測件的阻抗點很可能在紅色虛線圓與黑色虛線圓之間，因此不能測量到被測件的匹配點。 

圖 4 電纜和探針的差損及駐波對阻抗調(diào)諧范圍的影響

     為了解決在片負載牽引系統(tǒng)阻抗調(diào)諧范圍不足的問題，通常都是采用混合型負載牽引系統(tǒng)，也就是在機械阻抗牽引的基礎(chǔ)上增加有源阻抗牽引功能。如圖5 給出的混合型負載牽引系統(tǒng)原理框圖，除了兩個核心的阻抗調(diào)諧器外，需要一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀及兩個雙定向耦合器。

    很多網(wǎng)絡(luò)分析儀都內(nèi)置兩個信號源及至少四個接收機，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的一個信號源作為前向驅(qū)動信號，其中四個接收機用來測量入射波、反射波及傳輸波：A1、B1、A2 和 B2，ГLOAD=A2/B2，由于輸出端阻抗調(diào)諧器受探針、電纜及雙定向耦合器差損影響使得在其探針尖參考端面的反射系數(shù)縮小，也就是 ГLOAD 不能滿足實際測試需求；使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的第二個信號源在輸出端反向注入一個信號，同時改變其功率和相位，從而間接改變 A2 信號的幅度和相位，實現(xiàn)的 ГLOAD 的提高，這就是混合型負載牽引測量的原理。

    在混合型負載牽引系統(tǒng)里，機械阻抗調(diào)諧器充當(dāng)預(yù)匹配的功能。為了減少對反向注入信號功率的要求，阻抗調(diào)諧器始終保持與反向注入信號相位同步。 

圖 5：混合型負載牽引系統(tǒng)原理框圖

     由于多工器的帶寬非常窄，寬帶測量需要頻繁更換多工器，而且市場上沒有成熟的商業(yè)化的多工器，使得混合型諧波牽引功能實現(xiàn)起來較困難，因此成熟的混合型諧波負載牽引系統(tǒng)都是在負載端基波上增加有源牽引功能的諧波牽引系統(tǒng)。

04  探針以及探針臺

     為了探測電路性能，我們需要把信號傳導(dǎo)到某類傳輸線上， 這意味著我們需要至少兩個導(dǎo)體，即“信號導(dǎo)體"和“地導(dǎo)體"。因此三種探針類型如圖：

圖6：典型探針類型

     除了以上基本的GSG, GS, SG類型的探針，還有各種組合，如GSGSG，GSSG，SGS等等。探針本身需要很好的匹配內(nèi)部不同傳輸媒介的特征阻抗，要求保證在不同傳輸模式下電磁能量的高效傳輸。

    而探針臺可以固定晶圓或芯片，并精準定位待測物。手動探針臺的使用者將探針臂和探針安裝到操縱器中，并使用顯微鏡將探針尖-端放置到待測物上的正確位置。一旦所有探針尖-端都被設(shè)置在正確的位置，就可以對待測物進行測試。

    綜上所述，要實現(xiàn)負載牽引系統(tǒng)需要以下配置