(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610)

固態(tài)微波器件能夠?qū)崿F(xiàn)微波功率的發(fā)射、放大、控制和接收，在射頻和微波通信系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，廣泛應(yīng)用在電子對(duì)抗、衛(wèi)星系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等方面[1-2]。隨著設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)微波器件不斷向著大功率、高頻率、高效率等方向發(fā)展，對(duì)器件的精確測(cè)試也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[3-4]。目前固態(tài)微波器件測(cè)試面臨的主要挑戰(zhàn)是易產(chǎn)生自激振蕩，這會(huì)使器件不能穩(wěn)定工作，甚至導(dǎo)致器件過(guò)熱或擊穿，造成永久性的失效[5]。如何消除自激振蕩已成為固態(tài)微波器件領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

良好的測(cè)試夾具設(shè)計(jì)可以有效防止自激振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，但是目前微波器件測(cè)試夾具研究主要側(cè)重于測(cè)試校準(zhǔn)、批量化測(cè)試夾具設(shè)計(jì)、測(cè)試夾具對(duì)器件測(cè)試影響分析等方面，很少有文獻(xiàn)涉及固態(tài)微波器件防自激測(cè)試夾具設(shè)計(jì)方法的研究。王文娟等[6-7]通過(guò)分析固態(tài)微波器件測(cè)試誤差的來(lái)源，利用校準(zhǔn)技術(shù)，有效消除測(cè)試儀器和測(cè)試夾具引入的誤差，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的精確測(cè)試。雷靜[8]針對(duì)非同軸微波器件接口，設(shè)計(jì)了分體式測(cè)試夾具，同時(shí)解決了去嵌入問(wèn)題。王弘英等[9]通過(guò)系統(tǒng)分析測(cè)試夾具對(duì)微波晶體管測(cè)試的影響，指出可以通過(guò)夾具設(shè)計(jì)來(lái)消除自激現(xiàn)象。行業(yè)亟需合理有效的固態(tài)微波器件防自激夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，支撐器件的精確測(cè)試。

本文通過(guò)分析自激振蕩的產(chǎn)生機(jī)理，在測(cè)試夾具設(shè)計(jì)方案中引入自激振蕩的消除措施，提出了固態(tài)微波器件防自激測(cè)試夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)開展測(cè)試驗(yàn)證。

1 自激振蕩產(chǎn)生機(jī)理

1.1 自激振蕩分類

自激振蕩是指附加在所需信號(hào)上一種不希望產(chǎn)生的振蕩，又稱為寄生振蕩。一旦固態(tài)微波器件產(chǎn)生自激振蕩，它們的性能就會(huì)受到嚴(yán)重破壞，甚至損壞[10]。

自激振蕩根據(jù)起振原因的不同，主要可以分為低頻振蕩、參數(shù)振蕩和負(fù)阻振蕩三類。低頻振蕩的產(chǎn)生主要是由于固態(tài)微波器件的增益通常隨著頻率的降低以每倍頻程3～5 dB的比例增加，一旦形成低頻諧振電路，便有可能引起低頻自激振蕩。參數(shù)振蕩是指固態(tài)微波器件寄生參數(shù)(寄生電感、寄生電容和各種損耗)變化引起的自激振蕩，通常為高頻振蕩。負(fù)阻振蕩是指將具有負(fù)阻特性的器件接入諧振回路時(shí)會(huì)抵消回路中的損耗電阻，從而產(chǎn)生的持續(xù)振蕩。

隨著固態(tài)微波器件設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的進(jìn)步，寄生參數(shù)及負(fù)阻器件對(duì)測(cè)試的影響越來(lái)越小，目前低頻振蕩已成為固態(tài)微波器件測(cè)試中最主要的自激振蕩現(xiàn)象，也是造成器件在調(diào)試過(guò)程中燒毀的最主要原因之一[5，10-11]。因此本文的研究重點(diǎn)主要集中在低頻振蕩。

1.2 低頻振蕩的產(chǎn)生機(jī)理

以目前應(yīng)用最廣泛的微波功率晶體管為例，固態(tài)微波器件低頻振蕩的具體產(chǎn)生原因主要有以下三類:

(1)熱反饋效應(yīng)

熱反饋效應(yīng)指微波功率晶體管在較高溫度下本征激發(fā)大大增加，導(dǎo)致雜散發(fā)射少子的運(yùn)動(dòng)失常，使其偏離額定工作狀態(tài)，引起自激振蕩。

結(jié)溫對(duì)于微波功率晶體管的可靠性有著極其重要的影響。隨著結(jié)溫的升高，器件的失效率呈指數(shù)上升。當(dāng)外界溫度較高，致使微波功率晶體管內(nèi)部溫度超過(guò)允許的最高結(jié)溫200℃時(shí)，其工作能力會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的突然喪失，或引起管子特性不可恢復(fù)的惡化。

(2)電源饋電網(wǎng)絡(luò)

電源的饋電網(wǎng)絡(luò)是微波功率晶體管輸出匹配電路的一部分，其分布參數(shù)將影響功率管的工作狀態(tài)。當(dāng)電源去耦不良時(shí)，外界微小的干擾就可能引起微波功率晶體管自激振蕩。電源的紋波過(guò)大，也有可能引起微波功率晶體管負(fù)載特性的變化而導(dǎo)致自激振蕩。

(3)耦合場(chǎng)的外回饋

微波功率晶體管輸出端泄漏的微波信號(hào)通常通過(guò)極間電容耦合到輸入端。當(dāng)晶體管增益較高時(shí)，輸出的耦合信號(hào)與輸入信號(hào)幅度接近。一旦兩者相位也相近，就會(huì)構(gòu)成正反饋，導(dǎo)致自激振蕩。

多級(jí)微波功率放大器中，由于級(jí)間匹配電路的輸入端和輸出端都是與相鄰放大器的輸入/輸出端相連，而功率管的輸入/輸出阻抗隨功率電平變化。因此在級(jí)間匹配電路很難實(shí)現(xiàn)全頻帶的良好匹配，在某些頻率點(diǎn)前后級(jí)會(huì)產(chǎn)生失配，這樣就比單級(jí)放大器更容易產(chǎn)生自激振蕩。

2 防自激測(cè)試夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究

在固態(tài)微波器件測(cè)試中，測(cè)試夾具作為測(cè)試儀器與被測(cè)器件之間的橋梁(見圖1)，主要用于實(shí)現(xiàn)固定被測(cè)件、饋電以及信號(hào)同軸傳輸轉(zhuǎn)微帶傳輸?shù)裙δ埽话阌缮漕l傳輸線路和偏置網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。

圖1 固態(tài)微波器件測(cè)試夾具原理圖Fig.1 Schematic diagram of test-fixtures of solid state microwave devices

為有效消除固態(tài)微波器件測(cè)試中的自激振蕩現(xiàn)象，從自激振蕩產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，通過(guò)在測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)方案，特別是偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，針對(duì)性地引入自激振蕩的消除措施，形成防自激測(cè)試夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下:

(1)改善器件散熱

為避免固態(tài)微波器件發(fā)生熱反饋效應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致低頻振蕩，需要在測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)中做好散熱工作。通過(guò)良好的散熱設(shè)計(jì)(如圖1所示增加熱沉)來(lái)消除熱反饋效應(yīng)，以避免器件長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱工作產(chǎn)生自激振蕩。

(2)改善電源饋電網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)電源去耦不良或者波紋過(guò)大時(shí)，都有可能引起固態(tài)微波器件的自激振蕩。為了濾除電源雜波的干擾，需要在直流饋電點(diǎn)并聯(lián)到地去耦電容，如圖2中的C3和C4所示。實(shí)際測(cè)試中，去耦電容通常采用大容量電容和小容量電容組合并聯(lián)對(duì)地使用，以便在很寬的頻率范圍降低電源對(duì)地的阻抗。在布局上，為減少布線的阻抗，一般把小容量的電容器安置在緊靠電路的邊上[12]。通常會(huì)在直流通路放置λ/4傳輸線，阻止微波信號(hào)的通過(guò)，以減小電路插入損耗(見圖2)。

同時(shí)為改善柵極輸入的穩(wěn)定性，直流接入點(diǎn)和λ/4傳輸線之間通常會(huì)串聯(lián)電阻(見圖2中的R1)，由于柵極為肖特基接觸，沒(méi)有電流流過(guò)，因此在此電阻上不消耗功率。由于漏極輸出電流通常較大，無(wú)法使用串聯(lián)電阻，因此通常通過(guò)并聯(lián)電阻和電容串聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)以提高穩(wěn)定性(見圖2中的R2和C5)。

(3)設(shè)置隔直流電路

設(shè)置隔直流電路的目的是通過(guò)降低振蕩回路的Q值以破壞自激振蕩的產(chǎn)生條件;同時(shí)防止直流信號(hào)通過(guò)偏置電路輸入交流設(shè)備中導(dǎo)致儀器損壞。目前通常在50 Ω?jìng)鬏斁€上串聯(lián)隔直電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，見圖2中的C1和C2。

(4)確保偏置網(wǎng)絡(luò)具有較好的傳輸和反射特性

為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)有效消除自激振蕩，選擇的偏置電路在全頻段的反射系數(shù)要盡可能小，一般建議小于-20 dB;插入損耗要盡可能大，一般建議大于-3 dB。

(5)輸入輸出阻抗應(yīng)匹配

微波功率晶體管阻抗一般不是50 Ω特征阻抗，在測(cè)試過(guò)程中要考慮對(duì)輸入輸出阻抗進(jìn)行匹配以獲得最佳性能[9]。

圖2 微波晶體管推薦偏置電路Fig.2 Commend bias circuit of microwave transistors

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 防自激測(cè)試夾具設(shè)計(jì)

針對(duì)典型GaN內(nèi)匹配功率管，依據(jù)防自激測(cè)試夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，開展測(cè)試夾具設(shè)計(jì)。內(nèi)匹配功率管是目前微波功率晶體管的主流應(yīng)用形式，產(chǎn)品管殼內(nèi)已經(jīng)封裝了匹配電路，器件的輸入和輸出阻抗已經(jīng)轉(zhuǎn)換到50 Ω。器件工作頻率為5.3～5.9 GHz，輸出功率為50 dBm(即100 W)，偏置電路如圖2所示，VDS=28 V，VGS=-2.6 V。

根據(jù)GaN微波功率晶體管的產(chǎn)品特性和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取去耦電容C3=C4=1000 pF，柵極串聯(lián)電阻R1=100 Ω，隔直電容C1=C2=10 pF，R2=50 Ω，C5=1000 pF。制作偏置電路的基板材料采用Rogers 5870，介質(zhì)層厚度為0.508 mm，金屬微帶厚度為18 μm。由于柵極只有很小的漏電，因此輸入λ/4傳輸線寬度僅為0.25 μm?？紤]到器件工作狀態(tài)下漏極電流較大，輸出λ/4傳輸線寬度為1 mm。

利用ADS軟件對(duì)輸入輸出偏置電路開展仿真，通過(guò)調(diào)節(jié)扇形微帶電容的角度和半徑，使電路的頻帶特性和傳輸特性達(dá)到最優(yōu)。通過(guò)優(yōu)化，使得輸入輸出偏置電路具有很好的傳輸和反射特性:在5.3～5.9 GHz的頻率范圍內(nèi)，輸入偏置電路和輸出偏置電路的S11(輸入反射系數(shù))和S22(輸出反射系數(shù))均小于-20 dB，S21(插入損耗)小于0.1 dB。同時(shí)考慮器件功率較大，在測(cè)試盒體下面增加了熱沉用于提高器件的散熱。設(shè)計(jì)的防自激測(cè)試夾具實(shí)物照片如圖3所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證防自激測(cè)試夾具的有效性，搭建固態(tài)微波器件測(cè)試系統(tǒng)開展測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試系統(tǒng)的原理圖和照片分別如圖4和5所示。測(cè)試系統(tǒng)由E3649A直流電源、IT6952A直流電源、E8267D信號(hào)源、20S4G11A功率放大器、N5224A網(wǎng)絡(luò)分析儀、N9030A頻譜儀、N1911A功率計(jì)等設(shè)備組成。

圖3 防自激測(cè)試夾具實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Photograph of anti-self-oscillation test-fixtures

圖4 固態(tài)微波器件測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of test system of solid state microwave devices

圖5 固態(tài)微波器件測(cè)試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.5 Photograph of test system of solid state microwave devices

器件測(cè)試條件如下:工作頻率f為5.3，5.6，5.9 GHz，輸入功率為40～44 dBm，脈寬為300 μs，占空比取10%。在測(cè)試前需要對(duì)固態(tài)微波器件測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行輸入、輸出以及夾具校準(zhǔn)，測(cè)量各頻點(diǎn)下的夾具損耗，通過(guò)修正以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

首先在不使用防自激夾具的情況下開展測(cè)試，器件多次出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象，不能穩(wěn)定工作，無(wú)法準(zhǔn)確讀取參數(shù)值。

接著利用防自激夾具開展測(cè)試，器件多次重復(fù)測(cè)試未出現(xiàn)自激振蕩，測(cè)試結(jié)果一致性好，器件各參數(shù)值如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

從表1可以發(fā)現(xiàn)，器件各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均滿足其技術(shù)要求:在3個(gè)頻點(diǎn)的輸出功率均大于51 dBm，峰值工作電流不小于8.6 A，表明產(chǎn)品具有良好的輸出特性;3個(gè)頻點(diǎn)功率增益都在8 dB以上，功率增益平坦度均為±0.05 dB，表明產(chǎn)品具有良好的交流功率放大特性;3個(gè)頻點(diǎn)功率附加效率都大于49%，表明產(chǎn)品在直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率方面具有良好的功率轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

為解決固態(tài)微波器件測(cè)試中的自激振蕩問(wèn)題，本文通過(guò)系統(tǒng)分析自激振蕩產(chǎn)生機(jī)理，研究制定自激振蕩消除措施，提出了固態(tài)微波器件防自激測(cè)試夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為防自激夾具的研制提供借鑒和指導(dǎo)，有助于實(shí)現(xiàn)固態(tài)微波器件的精確測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的可行性，后續(xù)將針對(duì)固態(tài)微波器件批量化測(cè)試需求，研究分體式防自激測(cè)試夾具。