欒 鵬， 杜 靜， 王一幫， 劉 晨， 吳愛華， 胡海龍

(1.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051；2.陸軍步兵學院，河北 石家莊 050083；3.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043)

1 引 言

負載牽引是通過調(diào)配被測器件的源端或負載端阻抗，使用功率測量方法得到其大信號參數(shù)(功率、附加效率、轉(zhuǎn)換增益等)性能變化的測量技術(shù)[1～3]。使用前的系統(tǒng)自校準后性能直接決定了負載牽引測量的效果。

目前針對在片負載牽引測量系統(tǒng)校準或驗證的手段主要包括：使用直通線對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換增益誤差ΔGT進行系統(tǒng)驗證測量[4,5]；或者使用失配衰減網(wǎng)絡(luò)作為傳遞件，模擬被測件在不同阻抗下的ΔGT進行系統(tǒng)校準[6]；廠家認為測量直通的ΔGT滿足一定條件(例如0.3 dB)時系統(tǒng)自校準通過[7,8]，若以失配衰減網(wǎng)絡(luò)作為傳遞件進行校準時反映的系統(tǒng)校準誤差會更大。按文獻[9]進行系統(tǒng)不確定度評估時，校準結(jié)果偏差可能達到0.6 dB以上。無論哪種校準偏差結(jié)果，設(shè)計師都無法有效掌握系統(tǒng)測量性能。負載牽引系統(tǒng)使用者更關(guān)心的是負載系統(tǒng)ΔGT大小對測量的輸出功率、附加效率的影響，以及ΔGT多大時，系統(tǒng)測量誤差已超出承受范圍[10～14]。

本文介紹了一種采用衰減量替代ΔGT的方法，給出輸出功率Pout及功率附加效率PAE與ΔGT間的量化關(guān)系，設(shè)計師可根據(jù)ΔGT的校準結(jié)果，結(jié)合輸出功率Pout或功率附加效率PAE的大小，通過量化曲線圖直觀快速得到Pout及PAE的不確定度。本文以ΔGT為自變量，給出Pout及PAE的變化量值ΔPout和ΔPAE的曲線圖，將系統(tǒng)校準結(jié)果快速轉(zhuǎn)換為用戶關(guān)心指標。

2 方法設(shè)計

為了得到上述量化曲線，假設(shè)除了在功率或增益測量上存在測量誤差，其它條件都是理想的負載牽引測量系統(tǒng)，并且將所有的增益誤差都呈現(xiàn)在負載一端，那么就可以將插入損耗作為ΔGT來處理。

GT及PAE可通過式(1)～式(3)計算得到。

PDC=Vd×Id

(1)

GT=Pout(dB)-Pin(dB)

(2)

(3)

式中：PDC為功率器件的直流功率；Vd為施加功率器件上的電壓；Id為施加功率器件上的電流；Pin為器件輸入功率。由式(2)、式(3)可知ΔPAE與ΔGT大小應(yīng)該呈近似線性正相關(guān)；由式(2)可知ΔPout與ΔGT之間應(yīng)該呈等量線性關(guān)系。

實驗步驟如下：

1)使用R&S公司的測量接收機FSMR在 8 GHz 對精密極化可變步進衰減器以0.1 dB為步進進行衰減校準；

2)負載牽引系統(tǒng)配置如圖1所示，在負載阻抗調(diào)配器(load tuner)的后端模塊中接入0.1 dB/1dB極化可變步進衰減器；

圖1 衰減替代測量示意圖

3)將可變衰減器設(shè)為起始衰減位置，對在片負載牽引系統(tǒng)進行校準；

4)負載牽引測量系統(tǒng)設(shè)置頻率：8 GHz，輸入功率：12 dBm；探針連接DUT(功率芯片PDC=492.3 mW。)，先通過調(diào)配前端模塊中的源阻抗調(diào)配器，找到最大輸出功率對應(yīng)的阻抗點(7.61+30.57j)，并固定該源阻抗位置；

4)調(diào)配load tuner，找到最大功率點對應(yīng)的阻抗點，并記錄Pout、PAE；

5)以0.1 dB步進，改變可變步進衰減器，記錄對應(yīng)的Pout、PAE;

6)在阻抗圓圖上改變負載阻抗位置，重復第4、第5步，并記錄相應(yīng)結(jié)果到表1中。

表1 不同衰減量下的輸出功率、附加效率結(jié)果

可變衰減器起始衰減為4.2 dB，連接可變衰減器，被測件阻抗點1～3的PAE分別為24%、23%、16%。由于增加了可變衰減器，降低了被測件的功率附加效率(PAE)。為了反映被測件在不同功率附加效率下轉(zhuǎn)換增益測量誤差ΔGT與PAE間的關(guān)系，作出曲線族，便于設(shè)計人員查詢，將阻抗點1的輸出功率Pout1測量結(jié)果減小2 dB(PAE=5%)；將Pout1～Pout3增加4.2 dB(PAE=68%，58%，31%)、增加5.2 dB(PAE=40%，74%，87%)來擴展PAE的上下限，并對測量結(jié)果繪圖如圖2、圖3所示。

圖2 輸出功率附加效率測量誤差ΔPAE與轉(zhuǎn)換增益誤差ΔGT關(guān)系曲線

圖3 輸出功率誤差ΔPout與轉(zhuǎn)換增益誤差ΔGT關(guān)系曲線

從圖2可見，輸出功率附加效率與轉(zhuǎn)換增益保持近似的線性關(guān)系，且隨著功率附加效率的增加其變化量增加。從圖3可見，輸出功率與轉(zhuǎn)換增益的變化量基本是等量線性變化的。當功率管的輸出功率附加效率PAE在70%左右，ΔGT為0.5 dB時，對應(yīng)的輸出功率誤差約為0.5 dB，功率附加效率PAE的誤差約為8.5%。

3 實驗驗證

采用文獻[6]所述方法對負載牽引測量系統(tǒng)進行校準后，系統(tǒng)校準結(jié)果如表2所示。

表2 衰減量15 dB/反射系數(shù)0.3校準結(jié)果

以該負載牽引測量系統(tǒng)為驗證對象，其測量Pout及PAE結(jié)果作為系統(tǒng)測量值，按文獻[15]所述優(yōu)化方法對系統(tǒng)優(yōu)化后，進行Pout及PAE測量，結(jié)果作為標準測量值，系統(tǒng)測量值與標準測量值的測量誤差應(yīng)與前文所述圖2及圖3曲線族查詢誤差相一致。

實驗條件：采用被驗證負載牽引測量系統(tǒng)對某型GaN功率芯片進行測量，測量頻率為8 GHz，輸入功率Pin=23 dBm，功率單片加電條件為：Vds：28 V；Vgs：-4 V，Id=46 mA，采用負載牽引測量系統(tǒng)進行輸出功率測量。

優(yōu)化前輸出功率的系統(tǒng)測量結(jié)果見圖4所示，測量系統(tǒng)優(yōu)化后標準測量結(jié)果見圖5所示。

圖4 負載牽引系統(tǒng)測量結(jié)果

圖5 負載牽引系統(tǒng)標準測量結(jié)果

由測量結(jié)果及式(1)～式(3)得到表3。

表3 功率單片校準結(jié)果與測量結(jié)果比較

由表3可知，系統(tǒng)優(yōu)化校準前后的測量誤差：ΔPout=-0.37 dB；推算出的ΔPAE=-4.1%；

按圖2～圖3的查詢誤差分別為：ΔPout≈-0.4 dB,ΔPAE≈-3.8%，與實驗測量誤差的偏差小于1%，驗證了本文設(shè)計的查詢曲線族的正確性。文中以8 GHz為例進行測試及驗證，依據(jù)本文設(shè)計原理，在40 GHz頻段內(nèi)都能得到類似實驗結(jié)果。

圖2驗證了ΔPAE與PAE之間的近似線性關(guān)系；圖3驗證了ΔPout與ΔGT之間的等量線性關(guān)系。結(jié)合實驗分析，給出如下經(jīng)驗公式：

ΔPAE≈0.117×PAE×(1+0.1×ΔGT)

(4)

ΔPout≈ΔGT

(5)

式中：ΔPout,ΔGT單位為dB。

在相同PAE條件下，ΔGT大小對功率附加效率誤差影響顯著。通過提高負載牽引系統(tǒng)S參數(shù)及功率校準準確度[16～21]，以及提高阻抗調(diào)配器的機械重復性可有效減小ΔGT量值。

4 結(jié) 論

通過實驗及驗證測量，輸出功率與轉(zhuǎn)換增益的變化量基本是等量線性變化的；輸出功率附加效率與轉(zhuǎn)換增益保持近似的線性關(guān)系。設(shè)計師根據(jù)負載牽引測量系統(tǒng)校準結(jié)果ΔGT，通過查詢量值曲線圖或應(yīng)用經(jīng)驗公式可快速判斷Pout及PAE在相應(yīng)工作點下的不確定度大小，可有效提高設(shè)計效率及成品率。