郭庭銘，蘇江濤，劉 軍，王 飛

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018)

0 引 言

近年來，隨著我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，微波毫米波電路系統(tǒng)成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點。GaAs HEMT器件[1]等微波毫米波功率器件在微波毫米波功率放大器中被廣泛使用。對于這類功率器件而言，為了在電路設(shè)計時對其進行匹配電路設(shè)計，除了常規(guī)的小信號參數(shù)測試之外，需要對其進行大信號源/負載牽引測試從而得到器件的最佳負載阻抗、最佳源阻抗、最大功率、最大效率、最佳增益等大信號參數(shù)。此外，除了功率器件的基波阻抗匹配[2]外，諧波的阻抗匹配[3]同樣影響器件的最大輸出功率和最大輸出效率。為此，本文設(shè)計一種基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引測試系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確對器件的基波與諧波進行負載牽引測試，為微波毫米波頻段諧波有源負載牽引測試系統(tǒng)的研發(fā)提供一種可行的方案。

1 大信號負載牽引在片測試系統(tǒng)

1.1 負載牽引測試基本原理

在使用微波毫米波功率器件的射頻電路設(shè)計中，需要將其輸入輸出端都匹配到共軛匹配狀態(tài)。當(dāng)器件處于小信號工作狀態(tài)下時，器件的增益是線性的；當(dāng)器件工作在大信號非線性狀態(tài)時，由于功率器件發(fā)生功率牽引，導(dǎo)致器件的最佳阻抗點發(fā)生偏移。為了獲得微波毫米波功率器件在非線性工作狀態(tài)下的最佳阻抗點以及對應(yīng)的輸出功率、效率等功率參數(shù)，需對器件進行大信號負載牽引測試，使器件在固定的輸入功率下，改變器件輸出端所匹配的負載的阻抗值，在史密斯圓圖上畫出器件的等輸出功率圓、等增益圓、等效率圓，并找到最佳阻抗點。一般來說，負載牽引測試技術(shù)分為無源負載牽引測試技術(shù)[4]和有源負載牽引測試技術(shù)[5]。無源負載牽引測試技術(shù)是通過無源機械Tuner對待測器件的輸出端進行匹配。有源負載牽引測試技術(shù)分為閉環(huán)有源負載牽引測試和開環(huán)有源負載牽引測試，都是通過待測器件的輸出端進行信號輸入，對其進行阻抗匹配。

1.2 測試系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引測試系統(tǒng)是在大信號負載牽引測試系統(tǒng)基礎(chǔ)之上進行的，采用的大信號負載牽引測試系統(tǒng)[6]如圖1所示，主要包括以下幾個部分：Cascade在片測試平臺、思儀AV3672D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、MPI T50 GSG射頻探針、Keysight 8267D信號源、Keysight N6700C直流電源、驅(qū)動放大器、耦合器、偏置器、衰減器、連接件等。

圖1 大信號諧波負載牽引在片測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)框圖如圖2所示。將AV3672D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的1端口與2端口的4組接收機作為測試系統(tǒng)的主接收機。通過Keysight N1992A功率計對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)的接收機進行源功率校準(zhǔn)。為了更加精確地測試待測器件的入射波與反射波，相比傳統(tǒng)負載牽引測試系統(tǒng)，大信號負載牽引測試系統(tǒng)增加一組雙向耦合器緊靠在射頻探針的兩側(cè)。這樣一來，器件入射波與反射波的測試路徑與傳統(tǒng)方式中使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中端口內(nèi)的耦合器相比，變得更加短，入射波和反射波在傳輸路徑上的損耗變小，使得接收機對波的測試更加精準(zhǔn)和穩(wěn)定。在雙向耦合器的兩側(cè)是一組偏置器，偏置器內(nèi)包含一個隔直流信號的電容和一個隔交流信號的電感，用于分離和疊加射頻信號與直流信號。在左側(cè)偏置器外，采用源端調(diào)諧器對待測器件的源阻抗進行牽引。右側(cè)采用信號源、功率放大器、低損耗同向雙工器對待測器件進行信號注入，即有源負載牽引。

圖2 負載牽引測試系統(tǒng)框圖

由于大信號負載牽引測試系統(tǒng)采用外置一組雙向耦合器的方式，通過增加衰減器來減少網(wǎng)分內(nèi)接收機接收到的功率的絕對值，因此測試系統(tǒng)的測試功率上限值取決于射頻探針能承受功率上限值。系統(tǒng)使用的MPI T50 GSG射頻探針的最大承受功率是5 W(36.99 dBm)，而測試系統(tǒng)測試功率下限值取決于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的接收機線性動態(tài)范圍，系統(tǒng)所采用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀線性動態(tài)范圍為110 dB。因此，測試系統(tǒng)最小測試功率值大約為-73 dBm。

系統(tǒng)中，射頻信號由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1端口內(nèi)的信號源產(chǎn)生，經(jīng)過驅(qū)動放大器將信號放大后，通過偏置器與雙向耦合器進入待測器件的輸入端。待測器件輸入端的反射波與入射波的采樣信號通過雙向耦合器的耦合端口輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機。電腦上的測試軟件通過GPIB通訊協(xié)議與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行連接，讀取矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)的接收機測試值。小信號測試時，只需要獲得各個端口入射波與反射波的比值，而與小信號測試不同的是，大信號測試時為了計算待測器件的各項功率參數(shù)，需要精確讀取入射波與反射波的數(shù)值。在大信號測試時，除了信號在基波頻率的入射波和反射波數(shù)值之外，待測器件的諧波數(shù)據(jù)同樣十分重要，系統(tǒng)也能夠精準(zhǔn)測試待測器件的諧波數(shù)據(jù)。

2 基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引在片測試系統(tǒng)

2.1 傳統(tǒng)諧波有源負載牽引系統(tǒng)

傳統(tǒng)諧波有源負載牽引系統(tǒng)主要是采用同向雙工器對射頻信號進行分離與信號注入。根據(jù)90°電橋[7]的循環(huán)特性，將其與低通濾波器進行組合，形成傳統(tǒng)同向雙工器結(jié)構(gòu)，其實物如圖3(a)所示，工作原理如圖3(b)所示。

圖3 傳統(tǒng)同向雙工器

由圖3(b)可知：通過雙工器能夠?qū)⒋郎y器件輸出端輸出的射頻信號分為直流、基波、二次及以上諧波3組信號分別輸出到端口2、端口3、端口4，同時根據(jù)同向雙工器的自身特性，通過在端口3、端口4注入信號對待測器件進行諧波有源負載牽引。

同向雙工器的測試結(jié)果如圖4所示。采用90°電橋與截至頻率為3 GHz的低通濾波器，對其4端口S參數(shù)進行測試。根據(jù)測試結(jié)果可知：同向雙工器能夠?qū)⒒l率為2 GHz的射頻信號的二次諧波與基波進行分離。因此，傳統(tǒng)雙工器能用于測試基波頻率為2 GHz的諧波有源負載牽引在片測試系統(tǒng)。

2.2 基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引系統(tǒng)

傳統(tǒng)同向雙工器結(jié)構(gòu)使用低通濾波器將基波信號與諧波信號進行分離，但是，隨著頻率的升高，濾波器使系統(tǒng)傳輸路徑的損耗增加。因此，本文根據(jù)窄帶90°電橋的頻率周期特性，搭建低損耗同向雙工器模塊，在不使用低通濾波器的情況下，將基波信號與諧波信號進行分離。低損耗同向雙工器原理如圖5所示。圖5中，將2個90°電橋串聯(lián)，將待測器件輸出端信號從端口1輸入至雙工器，直流信號與奇數(shù)諧波從端口2輸出和注入，基波與奇次諧波從端口3輸出與注入，端口4為隔離端無信號輸出。通過低損耗同向雙工器能夠不通過濾波器將基波信號與諧波信號分離與合成。在此基礎(chǔ)之上，采用信號源與驅(qū)動放大器在端口3和端口4注入信號，實現(xiàn)對待測器件的諧波負載牽引。

圖4 同向雙工器測試結(jié)果

圖5 低損耗同向雙工器工作原理

低損耗同向雙工器的主要依靠窄帶90°電橋的頻率周期特性原理來實現(xiàn)信號的分離與合成。對于90°電橋來說，當(dāng)耦合線的長度與信號的1/4波長匹配時，耦合端的插入損耗最小，此時直通端的插入損耗最大。而當(dāng)耦合線的長度與信號的1/2波長匹配時，耦合端的插入損耗最大，直通端的插入損耗最小，并隨著頻率增加持續(xù)循環(huán)。窄帶90°電橋的測試結(jié)果如圖6所示。

低損耗同向雙工器測試結(jié)果圖如7所示。從圖7可以看出：在實際測試中，基波與諧波的隔離度約為25 dB，雖不及傳統(tǒng)系統(tǒng)隔離度可以達到近40 dB，但仍很好地分離基波和諧波，并不會對多諧波負載牽引測試的結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。這一方面是因為多諧波有源負載牽引測試之前，需要進行系統(tǒng)校準(zhǔn)，對系統(tǒng)內(nèi)基波和諧波的隔離度進行表征，并作為初值加入到阻抗擬合算法中[8]；另外一方面諧波負載牽引測試時，功率放大器已經(jīng)進入深度壓縮的工作狀態(tài)[9]。此時功率放大器輸出基波和諧波之間的功率差通?？芍?5～20 dBc，遠遠小于系統(tǒng)本身的諧波隔離度。

圖6 窄帶90°電橋測試結(jié)果

圖7 低損耗同向雙工器測試結(jié)果

3 測試系統(tǒng)驗證

為了驗證本文設(shè)計的基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引在片測試系統(tǒng)的可行性，搭建如圖1所示的諧波有源負載牽引在片測試系統(tǒng)。在2 GHz頻率下對圖8所示的GaAs HEMT器件進行基波與諧波負載牽引測試，獲得器件在非線性區(qū)的大信號參數(shù)。

在負載牽引測試中，常見的大信號參數(shù)有增益PGain，輸出功率Pout，輸入功率Pin，資用輸入功率Pav，輸出效率Peff。其中部分大信號參數(shù)的計算公式如下[10]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，a1，b1為器件輸入端的入射波和反射波，a2，b2為器件輸出端的入射波與反射波，V2，I2為器件輸出端的電壓與電流。

3.1 基波負載牽引測試

對器件進行大信號負載牽引測試，首先需要在輸出端負載為50 Ω的條件下測試器件在不同輸入功率下的大信號參數(shù)，即對器件進行功率掃描。器件功率掃描曲線如圖9所示。

圖8 GaAs HEMT器件實物圖

圖9 器件功率掃描曲線

由圖9可知：隨著輸入功率的增大，器件的輸出功率逐漸趨向飽和。并且隨著輸入功率的增加，器件增益開始壓縮，進入非線性區(qū)。一般來說選擇在器件增益1 dB的輸入功率下進行負載牽引測試。在得到器件的增益1 dB壓縮點后，在此輸入功率下對器件進行基波負載牽引測試，目的是找出最大效率以及其對應(yīng)的基波阻抗點。通過器件基波負載牽引測試數(shù)據(jù)，通過史密斯圓圖上畫出等效率圓，給出測試結(jié)果如圖10所示。

通過負載牽引測試獲得器件的最佳阻抗點信息，在最大效率阻抗點下進行功率掃描能夠得到器件在該頻率下的最大效率。功率掃描曲線如圖11所示。

圖10 器件基波負載牽引測試結(jié)果

圖11 器件基波最大效率點功率掃描曲線

由圖11可知：隨著輸入功率的增加器件的輸出功率逐漸飽和，器件的效率在達到最大后開始下降。通過以上測試數(shù)據(jù)得到器件在大信號工作狀態(tài)下的具體性能，最大效率阻抗點的幅值為0.31，角度為37.85°，通過在此阻抗點下進行功率掃描，得到器件此偏壓2 GHz下的最大效率為58.53%。

3.2 諧波負載牽引測試

除了基波負載牽引測試之外，器件的諧波負載阻抗匹配同樣對器件的大信號參數(shù)產(chǎn)生影響，因此需要對器件進行諧波負載牽引測試。采用本文設(shè)計的基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引系統(tǒng)，實現(xiàn)基波與二次諧波負載牽引。由于二次諧波阻抗匹配特性[11]，只需要將基波匹配在最佳阻抗點，二次諧波匹配在反射系數(shù)模值為0.9的圓上進行諧波阻抗匹配即可獲得二次諧波的最佳阻抗點。測試結(jié)果如圖12所示。最大效率二次諧波最佳阻抗點的幅值為0.93，角度為9.32°。此時的器件效率為67.63%。此時，將器件的基波與二次諧波同時匹配到最佳效率阻抗點，進行功率掃描，能夠得到器件的最大效率。

同時，為了對比本文設(shè)計的基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引系統(tǒng)與傳統(tǒng)諧波有源負載牽引系統(tǒng)，搭建傳統(tǒng)諧波有源負載牽引測試系統(tǒng)，對同一器件進行基波與二次諧波負載牽引測試，最終得到器件匹配在基波與二次諧波同時匹配到最佳效率阻抗點下的功率掃描曲線。兩種系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)對比如圖13所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，相比于只匹配基波阻抗點，器件的最大效率得到顯著的提高，說明諧波負載阻抗匹配的重要性。而兩種諧波有源負載牽引系統(tǒng)測得的器件匹配在基波與二次諧波同時匹配到最佳效率阻抗點下的功率掃描曲線基本重合，最終測得的器件最大效率值的差異在0.05%之內(nèi)，說明本文所設(shè)計的基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引系統(tǒng)的可行性和有效性。

圖12 器件諧波負載牽引測試結(jié)果

圖13 器件基波-二次諧波最大效率點功率掃描曲線

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一種基于低損耗同向雙工器的諧波有源負載牽引測試系統(tǒng)。實驗證明，根據(jù)90°電橋的基本特性可以對基波和諧波信號進行分離，組成傳輸路徑損耗小，成本低，測試精度高的諧波負載牽引測試系統(tǒng)，對功率放大器的輸出功率和效率進行進一步的優(yōu)化。相對于毫米波頻段，傳統(tǒng)負載牽引系統(tǒng)由于插損過大，難以在實際中進行廣泛應(yīng)用，本文所述測試系統(tǒng)在毫米波以上頻段具有較大的優(yōu)越性，在非線性半導(dǎo)體器件建模、功率放大器設(shè)計、測試驗證等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。