芮金城，曹 銳，陶曉輝

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

微波測(cè)試夾具及其TRL校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)與制作

芮金城1，曹 銳2，陶曉輝2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

為了滿足設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)對(duì)晶體管精確測(cè)試的要求，設(shè)計(jì)了一種工作在S波段的氮化鎵晶體管專用微波測(cè)試夾具，根據(jù)TRL校準(zhǔn)原理制作了相應(yīng)的校準(zhǔn)件來完成夾具的去嵌入。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試夾具及TRL校準(zhǔn)件達(dá)到了預(yù)期的效果，仿真值與實(shí)測(cè)值一致性好，損耗誤差為0.3 dB，去嵌入之后得到的夾具差損<0.4 dB，S11和S22<-15 dB，用該夾具測(cè)得的晶體管參數(shù)與其數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的值相吻合。

微波測(cè)試；夾具；TRL校準(zhǔn)件；氮化鎵；去嵌入

隨著以晶體管為核心部件的功率放大器的廣泛應(yīng)用，目前很多晶體管并沒有相應(yīng)的模型，有的晶體管制造商雖然提供了晶體管模型用以放大器的仿真設(shè)計(jì)，但是模型依然沒有足夠的準(zhǔn)確度和可靠性[1]。因此為了設(shè)計(jì)性能良好的功率放大器，減少后期的調(diào)試工作，對(duì)晶體管的精確測(cè)試很有必要。在實(shí)際測(cè)試中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管的固定以及散熱，實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器與晶體管之間的連接以及同軸到非同軸環(huán)境的轉(zhuǎn)換，需要用到微波測(cè)試夾具，而目前的夾具在所有晶體管的所有頻段并不能做到通用。因此為了得到不同晶體管在不同設(shè)計(jì)頻段的參數(shù)，需要制作專門的測(cè)試夾具以及與其相匹配的校準(zhǔn)件[2]。本文設(shè)計(jì)了一款用于CREE公司的氮化鎵晶體管CGH40010F的微波測(cè)試夾具，并根據(jù)直通反射延遲線(Through-Reflect-Line，TRL)校準(zhǔn)原理制作了相應(yīng)的校準(zhǔn)件，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了夾具設(shè)計(jì)的正確性。

1 TRL校準(zhǔn)原理

校準(zhǔn)是測(cè)試的基礎(chǔ)，校準(zhǔn)的作用就是去除各種誤差項(xiàng)的影響，為此需要建立相應(yīng)的誤差模型，根據(jù)誤差模型確定誤差項(xiàng)，通過測(cè)試得到這些誤差項(xiàng)參數(shù)，再經(jīng)過一系列計(jì)算去除誤差，這個(gè)過程被稱為去嵌入。完整的14項(xiàng)誤差模型[3]在求解時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差高次項(xiàng)[4]，且誤差項(xiàng)較多，而8項(xiàng)誤差模型[5]相對(duì)來說簡單明了，所有的誤差修正公式可以用一個(gè)矩陣式來表示，便于數(shù)據(jù)處理[6]，在TRL校準(zhǔn)中得到了應(yīng)用。夾具的8項(xiàng)誤差模型如圖1所示。

圖1 夾具的8項(xiàng)誤差模型

為了消除誤差模型中的誤差項(xiàng)，需要使用一定的校準(zhǔn)方法。校準(zhǔn)方法有很多種，TRL校準(zhǔn)因其校準(zhǔn)準(zhǔn)確度只依賴于傳輸線的特性阻抗而不依賴于其他標(biāo)準(zhǔn)[7]，校準(zhǔn)精度較高且適合非同軸測(cè)量[8]，所以適合在本文中使用。其原理即用3個(gè)S參數(shù)已知的校準(zhǔn)件來代替圖1中的被測(cè)件(Device Under Test，DUT)，得到圖2中直通，反射和延遲線的信號(hào)流圖[9]。

圖2 TRL校準(zhǔn)件信號(hào)流圖

由圖2可以得到關(guān)于夾具A，B的3組10個(gè)方程，通過解方程得到夾具A，B的S參數(shù)，之后再根據(jù)式(1)和式(2)即可得到DUT的二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)[10]

TATDUTTB=TM

(1)

(2)

其中，TA、TDUT、TB和TM分別代表夾具A，被測(cè)件，夾具B以及整體測(cè)試得到的T矩陣。

2 測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)與制作

本文設(shè)計(jì)的夾具頻率范圍為整個(gè)S波段，一般情況下氮化鎵晶體管在該波段的輸入阻抗值軌跡在史密斯圓圖的左半邊且靠近邊緣，輸出阻抗值在十幾歐姆甚至更小，因此為了拓展負(fù)載牽引系統(tǒng)中阻抗調(diào)配器的調(diào)配范圍從而得到更精確的最佳阻抗值，夾具的主線設(shè)計(jì)采用50～20 Ω的預(yù)匹配[11]，其實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試夾具實(shí)物圖

夾具采用左右兩邊對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，晶體管固定在中間。其中50～20 Ω的匹配采用2階階梯阻抗變換線，每階的線長為1/4波長，線寬根據(jù)切比雪夫阻抗變換[12]得到，對(duì)初值進(jìn)行優(yōu)化得到最終值。偏置電路由1/4波長線并聯(lián)幾個(gè)不同大小的電容組成，主要實(shí)現(xiàn)隔射頻通直流，濾波及去耦的功能，其中扇形電容具增加濾波帶寬，減少高頻的耗損，提高射頻功率的作用[13]。S波段頻率較高，集總元件的寄生參數(shù)較大，因此不用集總元件而采用微帶線進(jìn)行匹配，只有隔直電容以及偏置結(jié)構(gòu)中的并聯(lián)電容是集總元件。該夾具板材采用羅杰斯4 350 B，板厚0.762 mm，敷銅厚度35 μm，其整體尺寸為106 mm×35 mm。

3 TRL校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)與制作

TRL校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)要求如下：

直通校準(zhǔn)件。該校準(zhǔn)件有零長度和非零長度兩種類型，本文使用的是零長度的校準(zhǔn)件，其設(shè)計(jì)要求有：(1)校準(zhǔn)參考平面在直通校準(zhǔn)件的中央；(2)在校準(zhǔn)參考平面上S11=S22=0；(3)在校準(zhǔn)參考平面上S21=S12=1∠0°[14]。實(shí)際制作出的校準(zhǔn)件不可能達(dá)到這樣理想的效果，因此制作要求為在校準(zhǔn)參考平面上損耗和反射盡可能小。

反射校準(zhǔn)件。該校準(zhǔn)件包括開路校準(zhǔn)件和短路校準(zhǔn)件，任選其一即可，本文使用的是開路校準(zhǔn)件，其要求是：(1)反射系數(shù)大小越接近1越好，但不需要精確得知；(2)夾具兩端反射系數(shù)必須相等；(3)如果該標(biāo)準(zhǔn)件要當(dāng)作校準(zhǔn)參考平面的話,其相位響應(yīng)必須已知[15]。

延遲線校準(zhǔn)件。(1)該校準(zhǔn)件的特性阻抗是測(cè)量時(shí)的參考阻抗；(2)與直通校準(zhǔn)件的相位響應(yīng)差值為20～160°之間，越接近90°越好；(3)單一延遲線的帶寬只能達(dá)到起始頻率的8倍，如果要擴(kuò)展帶寬，需要多條延遲線[15]。

根據(jù)夾具校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)要求制作的直通和延遲線校準(zhǔn)件實(shí)物如圖4所示，直通校準(zhǔn)件即把圖1中的夾具兩邊直接相連，延遲線校準(zhǔn)件則是在中間加了一段延遲線，延遲線長度為13 mm。圖1所示的夾具可做為開路校準(zhǔn)件，加上晶體管之前用作開路校準(zhǔn)件，加上晶體管之后用作測(cè)試夾具。

圖4 直通和延遲線校準(zhǔn)件實(shí)物圖

4 夾具的性能實(shí)測(cè)驗(yàn)證

對(duì)夾具的性能驗(yàn)證分3個(gè)步驟進(jìn)行。

步驟1對(duì)裝配好的夾具及其校準(zhǔn)件進(jìn)行實(shí)測(cè)來驗(yàn)證是否和仿真設(shè)計(jì)一致。圖5(a)為直通和延遲線校準(zhǔn)件的仿真實(shí)測(cè)對(duì)比圖，圖5(b)為開路校準(zhǔn)件仿真實(shí)測(cè)對(duì)比圖，DM表示延遲線校準(zhǔn)件實(shí)測(cè)值；DS表示延遲線校準(zhǔn)件仿真值；TM表示直通件實(shí)測(cè)值；TS表示直通件仿真值；OM表示開路件實(shí)測(cè)值；OS表示開路件仿真值。由圖可知仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較好，在2～4 GHz頻段內(nèi)，直通和延遲線校準(zhǔn)件的差損實(shí)測(cè)<0.8 dB，與仿真誤差約在0.3 dB，開路校準(zhǔn)件的端口反射系數(shù)較大，接近于全反射，符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)和仿真值之間的誤差可能是焊錫，SMA頭的引入以及集總元件寄生參數(shù)的影響。

圖5 夾具及其校準(zhǔn)件仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

步驟2根據(jù)TRL校準(zhǔn)原理計(jì)算得到夾具A，B的S參數(shù)是否符合要求。如圖6所示，在2～4 GHz頻段內(nèi)，夾具A，B的S21都在-0.4 dB以內(nèi)，最佳點(diǎn)僅有0.2 dB的差損，夾具A的S22以及夾具B的S11都在-15 dB以下，說明夾具的設(shè)計(jì)較為成功。

圖6 夾具A，B的S參數(shù)

步驟3用該夾具對(duì)晶體管進(jìn)行負(fù)載牽引測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)由Focus公司提供。測(cè)試條件：連續(xù)波輸入信號(hào)，靜態(tài)工作點(diǎn)為漏極電壓28 V，漏極電流200 mA。測(cè)試得到的晶體管最佳輸出功率及其阻抗值如表1所示，和晶體管制造商提供的Datasheet的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示測(cè)試得到的Psat(飽和輸出功率)接近于其給出的典型值，并在合理的范圍內(nèi)波動(dòng)。因此夾具的設(shè)計(jì)是成功的，可以用來進(jìn)行晶體管的測(cè)試。

表1 測(cè)試得到的晶體管參數(shù)

5 結(jié)束語

本文介紹了TRL校準(zhǔn)的原理，設(shè)計(jì)了一款用于氮化鎵晶體管的測(cè)試夾具，并為其制作了相應(yīng)的TRL校準(zhǔn)件。對(duì)夾具的性能驗(yàn)證結(jié)果表明該夾具性能良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，能夠有效測(cè)試晶體管數(shù)據(jù)。由于氮化鎵晶體管的發(fā)展方向是大功率，高頻率和寬帶寬，因此后續(xù)的夾具的設(shè)計(jì)也要朝著這3個(gè)方向發(fā)展。

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The Design and Manufacture of Microwave Test Fixture and TRL Calibration Kits

RUI Jincheng1,CAO Rui2,TAO Xiaohui2

(1.Academy of Photoelectric Technology,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.No.38th Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

In order to meet the requirement of precise testing of transistor when designing power amplifiers，an exclusive microwave test fixture for GaN transistor at S band has been designed. According to the TRL calibration principle,the corresponding calibration kits are made to complete the fixture’s de-embedding.Measurement results show that the test fixture and TRL calibration kits achieved the desired results:good agreement between simulated and measured values are achieved which the loss error is 0.3 dB.The loss of the fixture after de-embedding is less than 0.4 dB while theS11andS22of the fixture are both less than -15 dB. The transistor parameters measured by the fixture coincide with the values given by the datasheet.

microwave testing ;fixture; TRL calibration kits; GaN; de-embedding

TN368

A

1007-7820(2017)11-093-04

2016- 12- 24

芮金城(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：微波電路設(shè)計(jì)及測(cè)試。曹銳(1976-)，男，博士，高級(jí)工程師。研究方向：片上雷達(dá)陣列。陶曉輝(1983-)，男，博士，高級(jí)工程師。研究方向：片上雷達(dá)電路設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.025