基于ZCU216射频片上系统的开环有源负载牵引测量平台

《IEEE Microwave and Wireless Technology Letters》：Open-Loop Active Load–Pull Setup Using the ZCU216 Radio Frequency System-on-Chip

本刊编辑推荐：为解决传统负载牵引(load-pull)仪器成本高、系统复杂的问题，研究人员开发了基于单板RFSoC(射频片上系统)的开环有源负载牵引测量系统。通过集成高速DAC(数模转换器)和ADC(模数转换器)替代VNA(矢量网络分析仪)等外部仪器，结合创新的校准方法，实现了对DUT(待测器件)负载阻抗的精确合成。实测结果与商用VNA高度一致，为射频功率放大器(PA)特性分析提供了低成本、可重构的解决方案。

　　

随着6G无线通信技术的快速发展，大规模MIMO(多输入多输出)天线阵列成为关键技术之一。在这些系统中，每个收发通道都需要独立的功率放大器(PA)，而功率放大器的效率直接影响整个系统的能耗性能。现代高效架构如Doherty功率放大器虽然能提升效率，但其性能对负载阻抗变化极为敏感。在实际阵列环境中，功率放大器所见的负载阻抗会因相互耦合和邻近元件相互作用而动态变化，这使得准确表征功率放大器在不同负载条件下的性能变得至关重要。

传统负载牵引测量技术是表征功率放大器性能的重要手段，但现有系统存在明显局限性。被动负载牵引系统使用机械调谐器，阻抗覆盖范围有限；有源负载牵引系统虽能合成任意阻抗（包括史密斯圆图外区域），但通常依赖昂贵的矢量网络分析仪(VNA)和信号发生器，且闭环架构存在稳定性差、校准复杂等问题。这些因素使得传统负载牵引设备成本高昂、便携性差，不利于广泛推广应用。

为解决这些问题，查尔默斯理工大学的研究团队开发了一种基于商用射频片上系统(RFSoC)评估板的全集成开环有源负载牵引测量系统。该系统创新性地利用ZCU216评估板集成的硬件资源，消除了对外部射频仪器的需求，为射频功率放大器特性分析提供了一种经济高效、可重构的替代方案。相关研究成果已发表在《IEEE Microwave and Wireless Technology Letters》上。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，利用RFSoC板载的高速DAC(14位，最高10 GSPS)和ADC(14位，2.5 GSPS)实现信号生成与采集，通过DDS(直接数字合成)技术在第二奈奎斯特区生成信号，配合带通滤波器抑制镜像频率。其次，设计了包含定向耦合器、增益块、衰减器和功率放大器的完整射频信号路径，其中在DUT与注入放大器间插入3dB/10W衰减器以改善匹配并确保阻抗合成稳定性。最关键的是，提出了基于三参数模型的迭代校准方法，通过三个校准点(Γ_set=0、0.5、0.5j)拟合负载反射系数与设定值的关系，有效补偿了多反射和非线性效应。

系统架构与性能验证

测量系统以ZCU216 RFSoC评估板为核心，集成了信号生成、放大、耦合和采集功能。信号生成采用DDS技术，在8 GSPS采样率下工作于第二奈奎斯特区，配合4.9-6.2 GHz带通滤波器抑制带外杂散。接收端采用2.5 GSPS欠采样技术，使用相同滤波器进行抗混叠。射频路径在DUT输入输出端各放置20dB定向耦合器，采用15dB增益块提升驱动电平，并通过固定衰减器保护ADC输入。系统采用开环架构，反射波由第二个DAC和功率放大器合成，只需外部直流供电。

校准方法与精度分析

校准过程包含两端口SOLT(短路-开路-负载-直通)校准和功率校准，采用未知直通法消除连接电缆影响。针对负载牵引特有的多反射问题，建立了包含DUT与注入放大器间多次反射的数学模型，将负载反射系数表示为Γ_Load=(α₀+α₁Γ_set)/(1+α₂Γ_set)形式。通过优化算法对每个功率水平单独拟合参数，显著提升了阻抗合成精度。

校准后，系统在史密斯圆图大部分区域的相对误差低于2.5%，平均误差小于0.5%。绝对误差在整个史密斯圆图范围内低于0.03，仅在圆图边缘略有增加。相对误差在圆图中心区域因分母接近零而显著增大，但排除中心区域后仍保持良好精度。

矢量网络分析功能验证

作为矢量网络分析仪使用时，系统成功测量了3D打印喇叭天线的回波损耗(S₁₁)。通过端口延伸技术去嵌入连接电缆影响，测量结果与商用VNA(E5071C)偏差小于0.5dB，差异主要源于天线与天花板间的驻波效应。同时测量了商用功率放大器QPA9501的小信号增益，结果与数据手册和VNA测量高度一致，最大偏差仅为0.5dB。

负载牵引测量应用

在5.4GHz频率下对QPA9501功率放大器进行负载牵引测量，获得了功率附加效率(PAE)和输出功率的等值线图。结果显示，最高PAE出现在41.7-j13.2Ω附近，而最大输出功率对应的最优阻抗为32.2-j11.3Ω。这种差异源于功率放大器在过驱动状态下最优阻抗的偏移，符合理论预期。

该系统在成本、集成度和测量能力方面具有显著优势。与传统方案相比，无需外部射频仪器，硬件成本约2万美元，远低于传统方案的10-20万美元。虽然测量时间目前为9秒/次，史密斯圆图在高功率水平下的覆盖范围受限于DUT与注入放大器的输出能力，但整体性能满足大多数应用场景需求。

该研究成功演示了基于单板RFSoC的全集成开环有源负载牵引测量系统的可行性。系统通过创新的校准方法有效补偿了多反射和非线性效应，实现了精确的阻抗合成。实测结果验证了系统在矢量网络分析和负载牵引测量中的可靠性，为射频功率放大器特性分析提供了一种经济高效、便于携带的解决方案。这种架构特别适合大规模MIMO系统中功率放大器的特性表征，对6G通信技术发展具有积极推动作用，同时也为科研教学提供了可访问的测量平台。未来工作可重点优化测量速度、扩展频率范围并提升高功率下的阻抗覆盖能力。