大反射負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)優(yōu)化選取及應(yīng)用

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(cè)量是一種與阻抗相關(guān)的微波功率放大器件測(cè)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(duì)應(yīng)的輸入、輸出阻抗點(diǎn)，用于功率器件的建模與微波功率放大器單片的設(shè)計(jì)[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(gè)阻抗調(diào)配器(Tuner)配合信號(hào)源、功率計(jì)、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及一些測(cè)試附件，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只是用來完成對(duì) Tuner 和系統(tǒng)配置器件 (包括夾具和探針)的校準(zhǔn)功能，測(cè)量時(shí)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(tái) PNA-X可以替代信號(hào)源、頻譜儀及傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀[5～7]。

針對(duì)微波頻段的在片(on-wafer)器件測(cè)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(huì)縮小 Tuner 的阻抗調(diào)配范圍，反射系數(shù)在40 GHz時(shí)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(cè)試需求，有源混合負(fù)載牽引系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(gè)反向大功率放大器來克服由于被測(cè)件和放大器之間失配帶來的損耗，因此需要一個(gè)額外的信號(hào)源、隔離器及放大器[12,13]。鑒于功放設(shè)計(jì)過程中，源端Tuner只是用來調(diào)整待測(cè)功率放大器的輸入功率，而待測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)常用于測(cè)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(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著矢網(wǎng)在大反射系數(shù)下測(cè)量準(zhǔn)確度的下降[14～16]，在片負(fù)載牽引系統(tǒng)測(cè)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(shí)，直通線功率增益測(cè)量誤差ΔGop一般可達(dá)1 dB左右，需采用系統(tǒng)誤差項(xiàng)優(yōu)化，以提高混合負(fù)載牽引測(cè)量大負(fù)載反射條件下的測(cè)量準(zhǔn)確度。對(duì)優(yōu)化參數(shù)的合理選取能夠反映系統(tǒng)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)一般采用轉(zhuǎn)換功率增益作為驗(yàn)證參數(shù)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度。但隨著新型混合負(fù)載牽引測(cè)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(píng)價(jià)和校準(zhǔn)參數(shù)是需要探討的問題。

2 負(fù)載牽引測(cè)試?yán)碚摶A(chǔ)

負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)是測(cè)量被測(cè)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(gè)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(cè)出器件的大信號(hào)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(jì)實(shí)際測(cè)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(shí)時(shí)測(cè)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(hào)功率、增益、反射系數(shù)等參數(shù)，源端牽引測(cè)量亦是如此。

設(shè)計(jì)工程師根據(jù)具體設(shè)計(jì)目標(biāo)折中選取最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。圖3中為一個(gè)在片被測(cè)件(device under test)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)件輸入輸出端功率比值計(jì)算得到。被測(cè)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(shí)的偏置電壓、偏置電流計(jì)算得到的直流功率計(jì)算得到。

圖3 基于矢量修正的負(fù)載牽引測(cè)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(cè)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(hào)源結(jié)合反饋功率放大器輸出信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)分析

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

其中增益測(cè)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。考慮到負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)中的同軸功率和直流功率已經(jīng)實(shí)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(yàn)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(cè)件輸入端共軛匹配時(shí)的功率Pav，與被測(cè)件處于任意阻抗下的輸出功率Pout的關(guān)系。具體驗(yàn)證方法如下：

負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量理想直通轉(zhuǎn)換功率增益的測(cè)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(cè)量值與理論值的差值ΔGT反映了負(fù)載牽引測(cè)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(lì)源提供給被測(cè)件的輸入功率Pin，與被測(cè)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(cè)件端口的功率絕對(duì)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(shí)，負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量理想直通的功率增益的測(cè)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(cè)量值與理論值的差值ΔGop也能反映負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差。

(8)

通過式(6)和式(8)對(duì)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(huì)更加敏感。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了如圖5所示的有源混合負(fù)載牽引測(cè)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(shí)現(xiàn)理想直通。

圖5 有源混合負(fù)載牽引測(cè)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(shí)，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(diǎn)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(shí)，ΔGT和ΔGop差別不大，但在反射系數(shù)模值大于0.7時(shí)，ΔGop比ΔGT大很多，表明Gop對(duì)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(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，為了體現(xiàn)校準(zhǔn)效果，應(yīng)選取對(duì)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(duì)后續(xù)開展提高測(cè)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(cè)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?？紤]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(shí)確保大反射測(cè)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(shí)，以30°為步進(jìn)；在反射系數(shù)模值0.5～0.6時(shí)，以15°為步進(jìn)；在反射系數(shù)模值0.7～0.9時(shí)，以10°為步進(jìn)，進(jìn)行了功率增益的測(cè)試，如圖7所示，一共選取了192個(gè)阻抗點(diǎn)。把選取的192個(gè)阻抗點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的接收機(jī)原始數(shù)據(jù)及誤差項(xiàng)初始數(shù)據(jù)送給測(cè)量模型，對(duì)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(cè)量誤差ΔGop由±1 dB減小到±0.2 dB以內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度有明顯提升[19]。

圖7 阻抗點(diǎn)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(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)誤差項(xiàng)優(yōu)化前和優(yōu)化后分別對(duì)功率管進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，并以功率管最大輸出功率的阻抗點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出功率及效率進(jìn)行對(duì)比。

被測(cè)放大器的頻率范圍36～38 GHz，測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表1所示。

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

從測(cè)量結(jié)果可見，優(yōu)化后的系統(tǒng)測(cè)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(jì)師進(jìn)行放大器設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)微波功率器件測(cè)試所使用的大反射負(fù)載牽引測(cè)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(cè)試應(yīng)用，結(jié)合實(shí)驗(yàn)證明選擇該參數(shù)作為在片大反射負(fù)載牽引測(cè)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(duì)后續(xù)開展提高測(cè)量準(zhǔn)確度提供合理目標(biāo)函數(shù)。