谐波阻抗调配器校准技术研究

霍 晔 吴爱华 梁法国 栾 鹏 王一帮 刘 晨

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

1 引 言

射频和微波晶体管放大器的电流、电压及功率参数是与阻抗相关的自然属性。谐波阻抗调配器广泛应用于负载牵引测量系统中[1-4]，例如：高功率、高效率射频放大器的设计[5-7]，放大器对于谐波阻抗比较敏感，在谐波频率上设计独特的负载阻抗会对功率放大器的效率产生一定的影响，因此，进行阻抗调谐有利于提高放大器的效率。负载牵引测量系统中源端的基波阻抗调配器，在输入端为被测件(DUT)提供匹配阻抗，输出端的谐波阻抗调配器作用体现在两方面：首先，在基波频率将DUT预匹配到50Ω；其次，它可以在二次谐波频率和三次谐波频率上独立优化谐波阻抗。

基波阻抗调配器的校准已有相关介绍[8,9]，但有关谐波阻抗调配器的校准工作未见报道，本文在基波阻抗调配器校准方法的基础上研究谐波阻抗调配器的校准工作。

2 谐波阻抗调配器的工作原理

谐波阻抗调配器的基本组成：控制电路(用于控制谐波阻抗调配器调节阻抗状态)，射频连接器接口(用于连接测量系统)，探子载架和横向移动的电机(用于调节基波和谐波阻抗的相位)；空气线(用于传输信号)，基波和谐波高、低频探子及步进电机(用于调节基波和谐波阻抗的幅度)。

谐波阻抗调配器工作原理如图1所示。控制信号是由计算机发出探子和探子载架的位置参数，通过以太网或USB电缆发送到谐波阻抗调配器，通过改变其内部的探子载架及横向移动的步进电机水平方向的位置来改变基波和谐波阻抗的相位，通过改变其内部的高、低频探子竖直方向的位置来改变基波和谐波阻抗的幅值，把谐波阻抗调配器加入到射频和微波测量系统中，通过软件控制其内部步进电机的位置，从而合成出想要得到的基波和谐波阻抗，因此可以测量被测件(DUT)在任意阻抗条件下的实际性能，即谐波负载牵引测量。

图1 谐波阻抗调配器工作原理图Fig.1 Working principle of the Multi-Harmonic Tuner

3 谐波阻抗调配器校准

从结构和工作原理分析，理论上谐波阻抗调配器的基波探子和谐波探子可通过软件同时控制，且互不干扰，本文将通过校准来验证。校准方案为：校准基波参数时，谐波探子处于初始化位置，校准谐波参数时，基波探子处于初始化位置,参照基波阻抗调配器的校准步骤[9]对谐波阻抗调配器进行校准，各参数校准数据分别与出厂测试数据对比。

本文选择的被校谐波阻抗调配器是加拿大FOCUS公司生产的MPT-LITE-4030(二次谐波)，其主要参数技术指标为：频率范围(3～40)GHz，矢量重复性≤40dB。该谐波阻抗调配器共有4个探子(基波2个、谐波2个)，(3～6.5)GHz是低频探子(基波探子：PL1，谐波探子：PL2)，(6.5～40)GHz是高频探子(基波探子：PH1，谐波探子：PH2)。为验证校准方法的合理有效，选择的频率范围及校准点与出厂测试数据保持一致。

校准前，矢量网络分析仪和谐波阻抗调配器预热30min，矢量网络分析仪设置输出功率为-5dBm，中频带宽100Hz，在(3～40)GHz频段内用85056D机械校准件对矢量网络分析仪进行全二端口校准。分别对谐波阻抗调配器的最大可调配范围(最大电压驻波比)、初始化状态电压驻波比、初始化状态插入损耗、矢量重复性、相位分辨力进行校准。

3.1 最大可调配范围(最大电压驻波比)的校准方法

校准基波(谐波)时，谐波(基波)探子处于初始化位置，用软件分别控制基波(谐波)高、低频探子到最大失配点，用校准过的矢量网络分析仪进行测量，测量结果如图2至图5所示。

图2 基波低频(3～13)GHz探子最大可调配范围(最大电压驻波比)Fig.2 Maximum VSWR of the fundamental wave probes(3～13)GHz

图3 基波高频(6.5～40)GHz探子最大可调配范围(最大电压驻波比)Fig.3 Maximum VSWR of the fundamental wave probes(6.5～40)GHz

图4 谐波低频(3～13)GHz探子最大可调配范围(最大电压驻波比)Fig.4 Maximum VSWR of the harmonic wave probes(3～13)GHz

图5 谐波高频(6.5～40)GHz探子最大可调配范围(最大电压驻波比)Fig.5 Maximum VSWR of the harmonic wave probes(6.5～40)GHz

图2中，在(3～13)GHz频段范围内基波低频探子最大可调配范围(最大电压驻波比)的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在6GHz频点最大差值为0.54，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图3中，在(6.5～40)GHz频段范围内基波高频探子最大可调配范围(最大电压驻波比)的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在35GHz频点最大差值为0.36，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图4中，在(3～13)GHz频段范围内谐波高频探子最大可调配范围(最大电压驻波比)的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在8GHz频点最大差值为0.36，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图5中，在(6.5～40)GHz频段范围内谐波高频探子最大可调配范围(最大电压驻波比)的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在10GHz频点最大差值为0.35，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

3.2 初始化状态电压驻波比的校准方法

基波和谐波探子均位于初始化位置，用校准过的矢量网络分析仪进行测量，测量结果如图6所示。在(3～40)GHz频段范围内初始化状态电压驻波比的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在40GHz频点最大差值为0.031，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图6 初始化状态电压驻波比曲线图Fig.6 VSWR of the initial state

3.3 初始化状态插入损耗的校准方法

基波和谐波探子均位于初始化位置，用校准过的矢量网络分析仪进行测量，测量结果如图7所示。在(3～40)GHz频段范围内初始化状态插入损耗的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在40GHz频点最大差值为0.05dB，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图7 初始化状态插入损耗曲线图Fig.7 Insertion loss of the initial state

3.4 矢量重复性的校准方法

校准基波(谐波)时，谐波(基波)探子处于初始化位置，用校准过的矢量网络分析仪进行测量，测量结果如图8至图13所示。

图8 3GHz频点基波探子矢量重复性曲线图Fig.8 Vector repeatability of the fundamental wave probes at 3GHz

图9 16GHz频点基波探子矢量重复性曲线图Fig.9 Vector repeatability of the fundamental wave probes at 16GHz

图10 40GHz频点基波探子矢量重复性曲线图Fig.10 Vector repeatability of the fundamental wave probes at 40GHz

图11 3GHz频点谐波探子矢量重复性曲线图Fig.11 Vector repeatability of the harmonic wave probes at 3GHz

图12 16GHz频点谐波探子矢量重复性曲线图Fig.12 Vector repeatability of the harmonic wave probes at 16GHz

图13 40GHz频点谐波探子矢量重复性曲线图Fig.13 Vector repeatability of the harmonic wave probes at 40GHz

图8中，在3GHz频点基波探子矢量重复性在反射系数0.1～0.8时的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在反射系数为0.2时最大差值为1.9dB，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图9中，在16GHz频点基波探子矢量重复性在反射系数0.1～0.8时的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在反射系数为0.3时最大差值为1.6dB，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图10中，在40GHz频点基波探子矢量重复性在反射系数0.1～0.8时的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在反射系数为0.2时最大差值为1.5dB，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图11中，在3GHz频点谐波探子矢量重复性在反射系数0.1～0.8时的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在反射系数为0.1时最大差值为1.5dB，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图12中，在16GHz频点谐波探子矢量重复性在反射系数0.1～0.8时的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在反射系数为0.2时最大差值为1.3dB，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

图13中，在40GHz频点谐波探子矢量重复性在反射系数0.1～0.8时的出厂测试数据和校准数据曲线变化趋势相似，在反射系数为0.6时最大差值为1.1dB，校准数据与出厂测试数据一致性较好，校准方法可行。

4 矢量重复性分析

从图8～图13数据分析，矢量重复性的校准测试数据比出厂测试数据要差一些，矢量重复性的定义有三种,分析原因如下。

1)常规矢量重复性：如图14(a)所示，点1为谐波阻抗调配器指定位置(参考点)的S参数，点2为谐波阻抗调配器偏离指定位置后再次回到相同位置的S参数，两点S参数的矢量差值为et，则常规矢量重复性计算公式为

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

2)平均矢量重复性：如图14(b)所示设置谐波阻抗调配器到参考点位置，测得参考点的S参数，偏离参考点位置测量多次(≥6次)并测得其S参数,S参数的平均值与参考点S参数的矢量差值为emean,则平均矢量重复性计算公式为

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

3)最差矢量重复性：如图14(b)所示设置谐波阻抗调配器到参考点位置，测得参考点的S参数，偏离参考点位置测量多次(≥6次)并测得其S参数，取偏离参考点最大的S参数与参考点S参数的矢量差值为emax，则矢量重复性计算公式为

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

图14 矢量重复性示意图Fig.14 Vector repeatability

厂家采用方法1)进行校准，此方法的优势为速度快，但2点的S参数不固定，会以1点为圆心随机分布在其周围，具有一定的随机性，可能下一次测量时et的值偏差变大，这样用户的使用会达不到预期的效果。

校准规范[9]中采用方法2)进行校准，此方法的优势为减小了随机误差，但校准时间较长，计算量大，过程繁琐，与用户的实际使用情况不相符。

本文采用方法3)进行校准，因为用户每一次测量都是随机的，取最差值能保证谐波阻抗调配器的性能指标，满足用户的使用要求，所以此方法的校准数据一般会比出厂测试数据差，但此方法更贴近实际应用，校准矢量重复性时推荐此方法。

3.5 相位分辨力的校准方法

校准基波(谐波)时，谐波(基波)探子处于初始化位置，用校准过的矢量网络分析仪进行测量，测量结果如图15和图16所示。此参数厂家未给出厂测试数据。

图15 基波探子相位分辨力曲线图Fig.15 Phase resolution of the fundamental wave probes

图16 谐波探子相位分辨力曲线图Fig.16 Phase resolution of the harmonic wave probes

图15中，厂家未给相位分辨力的测试数据，(3～40)GHz频段内随着频率增加基波探子相位分辨力校准值变大，符合相位分辨力的变化趋势。

图16中，厂家未给相位分辨力的测试数据，(3～40)GHz频段内随着频率增加谐波探子相位分辨力校准值变大，符合相位分辨力的变化趋势。

5 结束语

通过介绍谐波阻抗调配器的用途和工作原理，设计了校准方案，完成了(3～40)GHz的谐波阻抗调配器计量校准工作，研究了谐波阻抗调配器关键参数，即矢量重复性的定义及其优缺点。校准数据与出厂数据较吻合，关键参数符合说明书技术指标，因此本文对谐波阻抗调配器的校准方法可行。