張立飛，杜 靜，王一幫，欒 鵬，吳愛華，梁法國

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

負(fù)載牽引測量是一種與阻抗相關(guān)的微波功率放大器件測量技術(shù)，它通過不斷調(diào)節(jié)微波功率放大器件輸入和輸出端阻抗，從而得到微波功率器件的最佳功率、增益和效率等值曲線及最大值，以及對應(yīng)的輸入、輸出阻抗點，用于功率器件的建模與微波功率放大器單片的設(shè)計[1～3]。

負(fù)載牽引系統(tǒng)已經(jīng)被業(yè)界廣泛使用20多年，典型負(fù)載牽引系統(tǒng)使用2個阻抗調(diào)配器(Tuner)配合信號源、功率計、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及一些測試附件，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只是用來完成對 Tuner 和系統(tǒng)配置器件 (包括夾具和探針)的校準(zhǔn)功能，測量時不再使用網(wǎng)絡(luò)儀[4]。近年來，是德科技推出新一代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 PNA-X，由于 PNA-X的高度集成化及靈活的擴(kuò)展功能，使用一臺 PNA-X可以替代信號源、頻譜儀及傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀[5～7]。

針對微波頻段的在片(on-wafer)器件測試，傳統(tǒng)純機(jī)械式負(fù)載牽引配置系統(tǒng)，探針及電纜的損耗會縮小 Tuner 的阻抗調(diào)配范圍，反射系數(shù)在40 GHz時最大只能調(diào)配至0.7，因此傳統(tǒng)的純機(jī)械式負(fù)載牽引系統(tǒng)無法滿足測試需求，有源混合負(fù)載牽引系統(tǒng)應(yīng)運而生[8～11]。有源混合負(fù)載牽引系統(tǒng)是結(jié)合了負(fù)載端機(jī)械式 Tuner調(diào)配與有源注入為一體的負(fù)載牽引系統(tǒng)，它需要一個反向大功率放大器來克服由于被測件和放大器之間失配帶來的損耗，因此需要一個額外的信號源、隔離器及放大器[12,13]。鑒于功放設(shè)計過程中，源端Tuner只是用來調(diào)整待測功率放大器的輸入功率，而待測功率放大器的輸出端需要大的阻抗調(diào)配范圍，本文中大反射負(fù)載牽引測試系統(tǒng)指的是負(fù)載端調(diào)配范圍很大的負(fù)載牽引系統(tǒng)。

有源混合負(fù)載牽引測量系統(tǒng)常用于測量大反射系數(shù)下功率器件的輸出功率、增益和功率附加效率等電參數(shù)，在微波功率器件建模與微波單片集成電路設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。隨著矢網(wǎng)在大反射系數(shù)下測量準(zhǔn)確度的下降[14～16]，在片負(fù)載牽引系統(tǒng)測量功率增益不確定度在反射系數(shù)0.75以上呈指數(shù)方式增加，在反射系數(shù)0.9時，直通線功率增益測量誤差ΔGop一般可達(dá)1 dB左右，需采用系統(tǒng)誤差項優(yōu)化，以提高混合負(fù)載牽引測量大負(fù)載反射條件下的測量準(zhǔn)確度。對優(yōu)化參數(shù)的合理選取能夠反映系統(tǒng)測量不確定度的參數(shù)就變得尤為重要。

傳統(tǒng)負(fù)載牽引測量系統(tǒng)一般采用轉(zhuǎn)換功率增益作為驗證參數(shù)，評價系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度。但隨著新型混合負(fù)載牽引測量系統(tǒng)的大量應(yīng)用，在大反射系數(shù)下，如何選取合理的評價和校準(zhǔn)參數(shù)是需要探討的問題。

2 負(fù)載牽引測試?yán)碚摶A(chǔ)

負(fù)載牽引測量系統(tǒng)是測量被測件在不同源阻抗、不同負(fù)載阻抗下的輸出功率、增益、效率等參數(shù)，并在史密斯圓圖上畫出相應(yīng)的等值圓圖，如圖1所示。

圖1 輸出功率和效率等值曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of output power and efficiency equivalent curve

負(fù)載牽引兩個阻抗調(diào)配器被分別用來改變器件的源或負(fù)載阻抗,以使器件的輸入端和輸出端達(dá)到最佳匹配,從而使輸出功率或增益最大化，并根據(jù)此測出器件的大信號參數(shù)。以負(fù)載端牽引為例,原理框圖如圖2所示。

圖2 負(fù)載牽引基本原理圖Fig.2 Basic principle diagram of load pull system

如圖2所示，Pout為傳送到調(diào)配器的功率，Pmes為功率計實際測得的功率，loss為調(diào)配器損耗，且Pout=Pmes×loss，其中：

(1)

S11、S21為調(diào)配器的S參數(shù)，可通過預(yù)校準(zhǔn)得到，并用阻抗調(diào)配器的矢量重復(fù)性保障阻抗?fàn)顟B(tài)，或者采用矢網(wǎng)實時測量確定其阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，在多次反復(fù)牽引找到輸出功率或增益最大值后，便可根據(jù)此推算出DUT的大信號功率、增益、反射系數(shù)等參數(shù)，源端牽引測量亦是如此。

設(shè)計工程師根據(jù)具體設(shè)計目標(biāo)折中選取最佳設(shè)計參數(shù)。圖3中為一個在片被測件(device under test)測試參考面，其中a1，b1為端口1處輸入輸出電壓波，a2，b2為端口2處輸入輸出電壓波，Γin為輸入反射系數(shù)，ΓL為被測件輸出端負(fù)載反射系數(shù)，參數(shù)定義如式(2)～式(3)所示。Pin為被測件輸入功率，PL為負(fù)載吸收的功率。增益(轉(zhuǎn)換增益或功率增益)可通過被測件輸入輸出端功率比值計算得到。被測件效率和附加效率可以結(jié)合容易獲得的微波器件工作時的偏置電壓、偏置電流計算得到的直流功率計算得到。

圖3 基于矢量修正的負(fù)載牽引測量模型原理圖Fig.3 Schematic diagram of load pull measurement model based on vector correction

(2)

(3)

有源混合負(fù)載牽引測量系統(tǒng)負(fù)載端配置如圖4所示。通過在負(fù)載端增加信號源結(jié)合反饋功率放大器輸出信號與負(fù)載阻抗調(diào)配器的聯(lián)合調(diào)配，有源負(fù)載牽引的反射系數(shù)最大可調(diào)配至1.0以上。

圖4 有源混合負(fù)載牽引調(diào)配示意圖Fig.4 Diagram of active hybrid load-pull deployment

3 有源混合負(fù)載牽引測量系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)分析

通過對負(fù)載牽引測量系統(tǒng)中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(后面簡稱矢網(wǎng))的矢量誤差修正和一次絕對功率校準(zhǔn)，就能采用矢網(wǎng)內(nèi)部接收機(jī)進(jìn)行絕對功率測量，最終實現(xiàn)增益(轉(zhuǎn)換增益、功率增益)、輸出功率和效率的測量。

其中增益測量準(zhǔn)確度主要受到在片S參數(shù)校準(zhǔn)剩余誤差的影響；輸出功率準(zhǔn)確度受到在片S參數(shù)校準(zhǔn)剩余誤差和功率校準(zhǔn)的影響，效率準(zhǔn)確度受到輸出功率和直流功率的影響?？紤]到負(fù)載牽引測量系統(tǒng)中的同軸功率和直流功率已經(jīng)實現(xiàn)了溯源，在此不再進(jìn)行討論。文中將受到在片S參數(shù)校準(zhǔn)剩余誤差影響的增益作為校準(zhǔn)參數(shù)，它可以綜合反映系統(tǒng)的性能。

系統(tǒng)供應(yīng)商一般采用理想直通的轉(zhuǎn)換功率增益GT作為驗證系統(tǒng)正常性工作的校準(zhǔn)參數(shù)。轉(zhuǎn)換功率增益GT是描述被測件輸入端共軛匹配時的功率Pav，與被測件處于任意阻抗下的輸出功率Pout的關(guān)系。具體驗證方法如下：

負(fù)載牽引測量系統(tǒng)測量理想直通轉(zhuǎn)換功率增益的測量值為

(4)

式中：a1是輸入端入射波幅度；a2是輸出端入射波幅度；b2是輸出端反射波幅度；ΓL是輸出端反射系數(shù)。

根據(jù)定義，理想直通轉(zhuǎn)換功率增益的理論值為

(5)

式中：ΓS是輸入端反射系數(shù)。

理想直通的轉(zhuǎn)換功率增益測量值與理論值的差值ΔGT反映了負(fù)載牽引測量系統(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差[14～16]。

(6)

功率增益Gop是描述激勵源提供給被測件的輸入功率Pin，與被測件的輸出功率Pout的關(guān)系。與轉(zhuǎn)換功率增益相同，都是與源、負(fù)載端阻抗以及去嵌入到被測件端口的功率絕對值密切相關(guān)，都能夠反映系統(tǒng)的整體技術(shù)性能。但是轉(zhuǎn)換功率增益和輸入反射系數(shù)沒有關(guān)系，在某些阻抗?fàn)顟B(tài)下可能無法完全反應(yīng)系統(tǒng)性能。當(dāng)選取功率增益作為校準(zhǔn)參數(shù)時，負(fù)載牽引測量系統(tǒng)測量理想直通的功率增益的測量值為：

(7)

根據(jù)其定義，理想直通的功率增益理論值Gop=0 dB。

同理，理想直通的功率增益測量值與理論值的差值ΔGop也能反映負(fù)載牽引測量系統(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差。

(8)

通過式(6)和式(8)對比發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換功率增益誤差與輸入反射系數(shù)無關(guān)，而功率增益誤差不但與入射波功率、反射波功率、負(fù)載反射系數(shù)有關(guān)，還與輸入反射系數(shù)有關(guān)，因此判斷在大反射系數(shù)下，反射系數(shù)引入的不確定度更大[17，18]，功率增益誤差會更加敏感。

4 實驗驗證

為了對校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行驗證，搭建了如圖5所示的有源混合負(fù)載牽引測量系統(tǒng)，通過多線TRL校準(zhǔn)方法，將校準(zhǔn)端面校準(zhǔn)到直通線的中心，實現(xiàn)理想直通。

圖5 有源混合負(fù)載牽引測量系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of active hybrid load-pull measurement systems

圖6給出了頻率40 GHz時，源端阻抗為50 Ω，輸入功率-30 dBm，負(fù)載阻抗模值分別為0.1～0.9，不同相位點的直通線轉(zhuǎn)換增益ΔGT和功率增益ΔGop的情況。圖中橫坐標(biāo)表示負(fù)載反射系數(shù)的模值，分別為0.1～0.9，步進(jìn)為0.1，縱坐標(biāo)表示增益的誤差。從圖6可以看出，在反射系數(shù)模值小于0.7時，ΔGT和ΔGop差別不大，但在反射系數(shù)模值大于0.7時，ΔGop比ΔGT大很多，表明Gop對在片S參數(shù)校準(zhǔn)剩余誤差更為敏感，受其影響更高。在片系統(tǒng)在實際校準(zhǔn)時，為了體現(xiàn)校準(zhǔn)效果，應(yīng)選取對系統(tǒng)誤差更加敏感的參數(shù)Gop作為系統(tǒng)的校準(zhǔn)和優(yōu)化參數(shù)。

圖6 40 GHz不同負(fù)載反射系數(shù)下ΔGT、ΔGop最大誤差Fig.6 Maximum deviation of ΔGT and ΔGop under different load reflection coefficients of 40 GHz

通過實驗分析研究，在大反射系數(shù)下，功率增益誤差比轉(zhuǎn)換功率增益誤差更大。因此，選擇功率增益Gop作為在片大反射負(fù)載牽引測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)參數(shù)，既能反映在片大反射負(fù)載牽引自校準(zhǔn)方法是否合理，也能對后續(xù)開展提高測量準(zhǔn)確度提供合理目標(biāo)函數(shù)。

5 功率增益優(yōu)化及測試應(yīng)用

在確認(rèn)了功率增益作為校準(zhǔn)參數(shù)后，開展了功率增益優(yōu)化的工作。考慮到功率增益負(fù)載反射系數(shù)在史密斯圓圖上的分布，為了提高優(yōu)化效率，同時確保大反射測試下具有足夠多的樣本量，分別在反射系數(shù)模值0.2～0.4時，以30°為步進(jìn)；在反射系數(shù)模值0.5～0.6時，以15°為步進(jìn)；在反射系數(shù)模值0.7～0.9時，以10°為步進(jìn)，進(jìn)行了功率增益的測試，如圖7所示，一共選取了192個阻抗點。把選取的192個阻抗點所對應(yīng)的接收機(jī)原始數(shù)據(jù)及誤差項初始數(shù)據(jù)送給測量模型，對功率增益參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將直通件的各負(fù)載阻抗下功率增益測量誤差ΔGop由±1 dB減小到±0.2 dB以內(nèi)，系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度有明顯提升[19]。

圖7 阻抗點數(shù)分布Fig.7 Impedance point distribution

采用圖5所示的在片大反射負(fù)載牽引測量系統(tǒng)，系統(tǒng)誤差項優(yōu)化前和優(yōu)化后分別對功率管進(jìn)行對比測量，并以功率管最大輸出功率的阻抗點所對應(yīng)的輸出功率及效率進(jìn)行對比。

被測放大器的頻率范圍36～38 GHz，測量結(jié)果對比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后的測量結(jié)果Tab.1 Measurement results before and after optimization

從測量結(jié)果可見，優(yōu)化后的系統(tǒng)測量功率管的增益及功率附加效率有較大提升,有效挖掘了功率器件潛能，為設(shè)計師進(jìn)行放大器設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

6 結(jié) 論

本文針對微波功率器件測試所使用的大反射負(fù)載牽引測量系統(tǒng)通過理論分析，在大反射條件下，選取功率增益Gop作為其最佳的校準(zhǔn)參數(shù)更能反映系統(tǒng)的性能，并提出該參數(shù)的校準(zhǔn)方法及測試應(yīng)用，結(jié)合實驗證明選擇該參數(shù)作為在片大反射負(fù)載牽引測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)參數(shù)，既能反映在片大反射負(fù)載牽引自校準(zhǔn)方法是否合理，也能對后續(xù)開展提高測量準(zhǔn)確度提供合理目標(biāo)函數(shù)。