CN103576071A - 一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法，特征是通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位，实现被测功率晶体管输入/输出阻抗值的变化，从而测量出被测件在不同阻抗条件下的增益、输出功率等主要性能指标；测试结果间接给出了晶体管封装为放大器时匹配电路的主要参数和在最佳匹配状态下晶体管能够达到的主要性能参数。本发明具有覆盖频率范围宽，测试速度快，并可实现被测件输入输出阻抗在整个阻抗圆图内变化的特点；还可用于输入输出阻抗为非50欧姆晶体管的参数测量。

Description

一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法

技术领域

本发明涉及一种表征功率晶体管匹配特性的方法。

背景技术

现代射频和微波通信系统中，处于射频和微波发射机的功率放大器特性的精确表征至关重要。从传统的硅双极晶体管到砷化镓功率晶体管、LDMOS功率晶体管，乃至最新的大功率碳化硅和氮化稼功率晶体管，放大器设计人员为了从晶体管中获取越来越大的功率电平，就需要精确表征其在工作状态下的特性参数。通常，在功率器件设计测试中需要得到功率晶体管的准确模型以便设计仿真、明确功率晶体管的最佳源阻抗和负载阻抗、提高功率晶体管的稳定性等等。只有对功率晶体管的各项参数性能有比较深入的了解后，再进行输入级和输出级匹配电路的设计，然后分别展开测试，根据测试结果再对电路进行设计仿真和优化，以达到最佳匹配实现最大功率输出的目的。

随着半导体技术的迅速发展，微波晶体管放大器在提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了很大的进展。但随着晶体管工作频率和输出功率的提高，其输入/输出阻抗实部会非常低，并具有相当的电抗。在实际应用中，这些低阻抗需要与系统特性阻抗（一般为50Ω）相匹配，并有足够的带宽。因此，在源和负载之间需要设计和制作一个宽带、高变比的无源网络，使晶体管的实部得以提高，虚部尽量减小，这样既可减小输入端的反射功率，又能提高器件的输出功率，这样不仅提高了功率增益和集电极效率，也增加了功率管在这个频带内的稳定性，充分发挥微波功率晶体管的性能，这种无源网络被称为微波匹配电路。

在设计微波功率放大器时，为了向负载传输最大的功率，必须使负载与源阻抗相匹配。实现上述匹配的通常做法是在源阻抗和负载之间插入一个无源网络（匹配网络）。图1描述了一种典型的应用情况，为了向50Ω的负载传输最大功率，晶体管的输入/输出端阻抗分别为Z_S和Z_L。输入匹配网络的设计是将信号源阻抗Z₁（50Ω）变换到晶体管的源阻抗Z_S，输出匹配网络的设计是将晶体管的负载阻抗Z_L变换到终端负载Z₂（50Ω）。

传统的负载牵引法是在测试仪器与被测件之间插入阻抗可改变的阻抗调配器，通过控制阻抗调配器的阻抗大小，测量功率晶体管的增益、输出功率等主要性能参数。从某种程度上来说，负载牵引法的测试结果，间接给出了功率晶体管要封装为放大器的匹配电路的主要参数和在最佳匹配状态下功率晶体管能够达到的主要性能参数。

如图2所示，传统的负载牵引法在对功率晶体管进行测试时的核心是两个阻抗可调控的阻抗调配器，在测量过程中，将两个阻抗调配器插入被测件与测试端口之间。被测件的输入端口与阻抗调配器一的一端相连，阻抗调配器一的另一端与测试仪器的端口一连接；被测件的输出端口与阻抗调配器二的一端相连，阻抗调配器二的另一端与测试仪器的端口二连接。当进行功率放大器输出阻抗测量时，测试仪器分别指定阻抗调配器二的导纳滑块在水平和垂直方向上移动的起止位置和移动的步长，然后控制导纳滑块按照设定好的步长从测试起始位置移动至测试终止位置，同时记录每一个测试点的输出功率的大小，通过对所有数据的处理分析找到被测件的最佳输出功率值，记录阻抗调配器二的调配位置并通过查询校准表得出阻抗，求其共轭即为被测件的输出阻抗；同时，还可以改变阻抗调配器一的位置，测试出被测件在不同输入阻抗下的输出阻抗状态。

上述负载牵引法中使用的阻抗调配器在对功率晶体管测试前需要进行校准和定标，阻抗调配器的校准数据是通过矢量网络分析仪进行标定的，通过校准，可以得到每个位置点的S参数。在对阻抗调配器定标后组建的系统中，通过一定的算法就可以得到在不同调配状态下被测晶体管的输入/输出参数特性。该方法测试成本比较高，由于采用了机械式阻抗调配器，测试时间较长；在测量过程中需要针对不同频段更换相应频段的阻抗调配器；由于尺寸的原因，对于较低频率的被测件，通常很难有合适的阻抗调配器；而且测试过程很慢，理论上来讲不能在整个阻抗圆图平面内进行阻抗调配。

发明内容

本发明的任务在于解决现有技术中表征功率晶体管匹配特性方法存在的技术缺陷，提供一种快速精确表征功率晶体管匹配特性的方法。

其技术解决方案是：

一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法，通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位，将测试仪器内置的两个信号源，一个作为参考源，另一个作为被控源；在对被测晶体管进行测试时，参考源输出的A1信号是驱动被测功率晶体管工作的大信号，被控源输出的A2小信号作为反向入射波加到被测功率晶体管的输出端口；在一个固定频率点时，保持A2信号的幅度不变，对它的相位进行旋转，被测功率晶体管正向输出波B2的响应也会随着变化，这样就相当于给被测功率晶体管输出端口提供了稳定可控的阻抗值；通过控制被测功率晶体管输入输出阻抗值的变化，测量出被测功率晶体管在不同阻抗条件下的包括增益、输出功率在内的主要性能指标。

上述精确表征功率晶体管匹配特性的方法，采用矢量调制器实现测试仪器两个信号源之间的相位控制，根据矢量调制器工作频率选择低、中、高三个频率点，设置调制输出信号为双边带调制信号，利用频谱仪监测射频输出功率以及载波泄露信号的功率，在保证射频输出功率和载波泄漏的前提下，尽量降低基带驱动电平；具体包括：

载波抑制校准步骤，在多个频率点上，通过软件设计两个校准参数，分别为I载波抑制校准参数和Q载波抑制校准参数，然后设置通道的ALC工作在开环状态，用频谱仪或矢网检测通道的射频输出功率，分别调整I和Q载波抑制校准参数，使得通道的射频输出功率变小；

正交支路幅度不平衡补偿步骤，在补偿时，根据矢量调制器调制线性的要求设置合适的IQ信号的最大驱动电压值，在最大驱动电压值的基础上分别设置IQ正负电压的最大值，在0°、90°、270°、360°四个点设置四个校准参数，调整这4个校准参数值，在ALC开环情况下用矢网测量通道的输出增益，调整设置的四个参数使对应的四种相位状态下的输出功率相等；正交相位误差修正步骤，采用矢量信号合成原理对正交相位误差进行修正，理想正交分量为I、Q，实际分量为I₀、Q₀，合成矢量为E；由于存在正交相位误差，实际上I和Q的夹角θ不是90°，I和Q分别被修正为I₀和Q₀，保证实际合成矢量E和理想情况下是相等的；

通过计算分析，得到实际分量和理想分量之间的修正公式如下：

I₀＝I-Q×ctgθ

Q₀＝Q/sinθ

在具体操作上，首先用矢网测量出设置正交时的θ值，假设I为1、Q为0，用矢网测量出通道输出信号的相位，然后假设I为0、Q为1，再测量出通道输出信号的相位，二者的差即为正交相位θ，通过上述公式就可以计算出补偿后的IQ信号的值；

矢量调制器的非线性修正步骤，一是降低基带信号的幅度，使调制器处于良好的线性工作区；二是通过调整基带驱动电压的增益对调制器的非线性进行补偿。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位来顺利实现对晶体管的参数测量，特别是测量出稳定性设计和输入/输出匹配电路设计所需的准确参数，即在不同输入/输出阻抗条件下晶体管主要性能参数，通过控制被测功率晶体管输入输出阻抗值的变化，从而测量被测件在不同阻抗条件下的增益、输出功率等主要性能指标；测试结果能够间接给出晶体管封装为放大器时匹配电路的主要参数和在最佳匹配状态下晶体管能够达到的主要性能参数。在对晶体管进行测试时，测试仪表内置的两个信号源，一个用作参考源，另一个用作被控源，通过调整被控源的相位直到使参考源和被控源的相位差满足测试需求。其优点是可以在较宽频率范围内使被测件的输入输出阻抗在整个阻抗圆图平面内连续变化，解决了现有负载牵引法不能在较宽频率范围内对被测件输入输出阻抗进行连续变化的问题。同时，本发明具有覆盖频率范围宽，测试速度快，并可实现被测件输入输出阻抗在整个阻抗圆图内变化的特点。另外，本发明还可以对测试仪表内置的两个信号源输出的功率和相位进行设置，在对被测件进行测量前，需要对加到被测件端口的功率和相位进行校准，保证输入信号的幅度相位可控。

本发明特别适用于输入输出阻抗为非50欧姆晶体管的参数测量，只需接入连接通用测试仪表和被测晶体管的测试夹具，就可实现晶体管的稳定性设计和输入/输出匹配电路的设计。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为现有技术中的微波匹配电路的原理示意框图。

图2为现有技术中的负载牵引法对功率晶体管进行测试的原理示意框图。

图3为本发明源相位可控法对功率晶体管进行测试的原理示意框图。

图4为本发明使用的矢量调制器的原理示意框图。

图5为本发明中的正交相位误差修正的原理示意图一。

图6为本发明中的正交相位误差修正的原理示意图二。

具体实施方式

结合图3，一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法，将测试仪器内置的两个信号源，信号源一作为参考源，信号源二作为被控源；在对被测功率晶体管进行测试时，参考源输出的A1信号是驱动被测功率晶体管工作的大信号，被控源输出的A2小信号作为反向入射波加到被测功率晶体管的输出端口；在一个固定频率点时，保持A2信号的幅度不变，对它的相位进行旋转，被测功率晶体管正向输出波B2的响应也会随着变化，这样就相当于给被测功率晶体管输出端口提供了稳定可控的阻抗值；通过控制被测功率晶体管输入输出阻抗值的变化，来测量出被测功率晶体管在不同阻抗条件下的包括增益、输出功率在内的主要性能指标。

本发明的基本原理是：

在对被测功率晶体管进行测试时，参考源输出的A1信号是驱动被测件工作的大信号，被控源输出的A2小信号作为反向入射波加到被测件的输出端口。在一个固定频率点时，保持A2信号的幅度不变，对它的相位进行旋转，被测件正向输出波B2的响应也会随着变化，这样就相当于给被测件输出端口提供了稳定可控的阻抗值。在史密斯圆图或极坐标中，反向入射波A2和正向输出波B2的比值就可以看作一个圆。另外，相对于A1来说，A2信号的相位和功率电平都是可以设置的。进行相位控制设置前，先要选择相位扫描类型，当源2的相位可控时，通过接收机电平控制可以对源2的功率电平进行设置。

本发明采用的源相位可控法对两个信号源的相位差进行控制时，有两种模式可供选择，一种是开环模式，另一种是闭环模式。开环模式指的是在没有使用任何接收机的情况下，设置源的相位和功率，通常被控源的相位一旦被设定，就不能进行反复调整，这种模式和闭环模式相比，精度和稳定性都要差点。当需要使用接收机进行其他参数测试时，可以选择开环模式；而且在开环模式下，每次进行相位扫描时不一定从0度开始。闭环模式中除了对源端口进行选择外，测量相位的接收机可以是测试端口接收机，也可以是参考接收机。选定的接收机测量源的相对相位，然后调整被控源的相位，再进行测量，直到参考源和被控源的相位差满足要求。这个相位差可以是固定的，如90度，也可以在任意两个相位值之间扫描，如0度到360度。需要注意的是，一定要确保需要测试的信号流程的正确性，以保证需要测试的信号能够到达正确的接收机，否则，对相位的控制将可能不正确。

此外，在对被测晶体管进行测量前，首先要进行校准，只需要对用到的端口进行校准，校准完成后，校准平面的相位是修正过的，功率也是很准确的。

为了保证测量过程中既能得到信号的幅度信息，又能得到相对相位信息，测试仪器的信号源就必须具有调相功能，以便在提供小信号激励时，能够在保证小信号幅度不变的条件下动态调整相位输出。本发明中采用矢量调制技术实现测试仪器两信号源之间的相位控制。具体包括：

矢量调制技术中的矢量调制器的基本原理和正交数控移相器相同，能够同时实现对信号幅度和相位控制。由于矢量调制器的控制信号I和Q是有界的，适当控制I和Q的大小就可以实现无限的相位旋转。目前常用的微波矢量调制器原理如图4所示。Branchline耦合器将输入功分为正交两部分，每一部分在经过Rat-race耦合器功分为相位相反的两部分（+90°和-90°），这两部分分别和输入的差分I/Q控制信号相乘，然后利用Wilkinson合成器分别进行功率合成，形成I和Q两路正交信号，最后再次利用Wilkinson合成器将I路和Q路信号合成最终输出信号。由于单阶耦合器合成的带宽非常窄，在宽带系统中通常采用多阶环路来提高整个频带的带宽，从而提高整个输出频段的功率平坦度。同时为了保证功率的动态范围，通常选择高质量的双平衡混频电路。信号在混频器本振端口和输出端口间的传输损耗由I/Q电流大小控制。

由于矢量调制器存在很多非理想特性，而这些非理想特性都会影响矢量调制器的移相准确度，为了减小矢量调制器的移相误差，必须对矢量调制器进行校准和补偿。矢量调制器需要补偿的主要有以下四个方面：载波抑制校准、正交相位误差修正、正交支路幅度不平衡补偿、矢量调制器的非线性修正。通过实际测量，很容易得到调制器的直流偏置和正交支路幅度、相位的误差大小。

1）载波抑制校准

对于载波抑制有两种补偿手段，一是通过在硬件电路中增加DA转换电路来调整IQ信号输入的直流偏置，但是在一定程度上会增加电路的复杂性；另一种方法是通过调整基带信号发生器的输出电压来调节，这种方法的缺点是会牺牲基带信号转换DA的电压范围，可通过选择高精度的DA来弥补。

具体的实施方案为：在多个频率点上，软件设计两个校准参数，分别为I载波抑制校准参数和Q载波抑制校准参数，然后设置通道的ALC工作在开环状态，用频谱仪或矢网检测通道的射频输出功率，分别调整I和Q载波抑制校准参数，使得通道的射频输出功率变小。

2）正交支路幅度不平衡补偿

理论上分别设定I为0，Q为+1和-1；Q为0，I为+1和-1，矢量调制器输出的功率应该是相等的。但是由于矢量调制器中功分器、乘法器等不完全对称，会产生幅度误差；由于电路元件的不对称也会产生增益误差，这些都会导致IQ两路信号幅度不相等。这些由于IQ支路不平衡引起的移相误差也可以通过改变IQ信号驱动电压值来修正。

在补偿时，根据矢量调制器调制线性的要求设置合适的IQ信号的最大驱动电压值。在这一电压值的基础上分别设置IQ正负电压的最大值，在0°、90°、270°、360°四个点设置四个校准参数，调整这4个校准参数值，在ALC开环情况下用矢网测量通道的输出增益，调整设置的四个参数使对应的四种相位状态下的输出功率相等。

3）正交相位误差修正

采用矢量信号合成原理可以对正交相位误差进行修正。如图5和6所示，理想正交分量为I、Q，实际分量为I₀、Q₀，合成矢量为E。由于存在正交相位误差，实际上I和Q的夹角θ不是90°，I和Q分别被修正为I₀和Q₀，保证实际合成矢量E和理想情况下是相等的。

通过计算分析，得到实际分量和理想分量之间的修正公式如下：

I₀＝I-Q×ctgθ

Q₀＝Q/sinθ

具体实现上，首先用矢网测量出设置正交时的θ值。假设I为1，Q为0，用矢网测量出通道输出信号的相位，然后假设I为0，Q为1，再测量出通道输出信号的相位，二者的差即为正交相位θ。通过上面的公式就可以计算出补偿后的IQ信号的值。

4）矢量调制器的非线性修正

为了提高调制器的调制线性，可以从两个方面入手：一是降低基带信号的幅度，使调制器处于良好的线性工作区；二是通过调整基带驱动电压的增益对调制器的非线性进行补偿。如果采用第一种方法，比较方便，但需要保证射频输出功率、信号噪声、载波泄露满足要求，不会导致过大的移相误差；如果采用第二种方法，由于调制线性呈现不规则曲线特性，而且与载波频率、工作环境温度等相关，要获取不同载波频率、不同环境温度下大量的调制线性的测试数据算法复杂，工作量巨大。两种方法的选取要根据实际使用矢量调制器的特性来决定，有时需要同时采用以互相弥补各自的缺点。

在具体实施过程中，根据矢量调制器工作频率选择低、中、高三个频率点，设置调制输出信号为双边带调制信号，利用频谱仪监测射频输出功率以及载波泄露信号的功率，在保证射频输出功率和载波泄漏的前提下，尽量降低基带驱动电平，并在三个频率点上反复优化。

由上述可见，只要控制加到被测件输入端和输出端信号的相位，就可以实现被测晶体管输入/输出端阻抗的变化，从而测试出功率晶体管在不同阻抗条件下的增益、输出功率等主要性能参数。

本发明采用矢量调制技术实现的源相位可控技术，在不外加阻抗调配器的情况下，通过软件补偿和算法去除两信号源相位差之间的非理想特性，即可实现功率晶体管输入输出端阻抗的变化，从而得出功率晶体管要封装为放大器时的匹配电路的主要参数和在最佳匹配状态下功率晶体管能够达到的主要性能参数，具有覆盖频率范围宽，测试速度快、结构简单、相位分辨率高等特点。还可以通过多阶环路链接的方式，获得更宽的频率范围，进一步提高测试仪器端口的输出功率的平坦度。同时，通过软件设置和校准，保证加到功率晶体管上的信号幅度和相位都是精确可控的，简单实用；还可以在固定频率或扫频条件下，提供微分、积分或任意相偏的信号，应用极为广泛。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法，其特征在于通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位，将测试仪器内置的两个信号源，一个作为参考源，另一个作为被控源；在对被测晶体管进行测试时，参考源输出的A1信号是驱动被测功率晶体管工作的大信号，被控源输出的A2小信号作为反向入射波加到被测功率晶体管的输出端口；在一个固定频率点时，保持A2信号的幅度不变，对它的相位进行旋转，被测功率晶体管正向输出波B2的响应也会随着变化，这样就相当于给被测功率晶体管输出端口提供了稳定可控的阻抗值；实现被测晶体管输入/输出端阻抗在整个阻抗圆图内的连续变化，从而得出功率晶体管的最佳匹配状态，测量出被测功率晶体管在不同阻抗条件下的包括增益、输出功率在内的主要性能指标；同时还采用多阶环路来提高整个频带的带宽，提高整个输出频段的功率平坦度。

2.根据权利要求1所述的精确表征功率晶体管匹配特性的方法，其特征在于采用矢量调制器实现测试仪器两个信号源之间的相位控制，根据矢量调制器工作频率选择低、中、高三个频率点，设置调制输出信号为双边带调制信号，利用频谱仪监测射频输出功率以及载波泄露信号的功率，在保证射频输出功率和载波泄漏的前提下，尽量降低基带驱动电平；具体包括：

载波抑制校准步骤，在多个频率点上，通过软件设计两个校准参数，分别为I载波抑制校准参数和Q载波抑制校准参数，然后设置通道的ALC工作在开环状态，用频谱仪或矢网检测通道的射频输出功率，分别调整I和Q载波抑制校准参数，使得通道的射频输出功率变小；

正交支路幅度不平衡补偿步骤，在补偿时，根据矢量调制器调制线性的要求设置合适的IQ信号的最大驱动电压值，在最大驱动电压值的基础上分别设置IQ正负电压的最大值，在0°、90°、270°、360°四个点设置四个校准参数，调整这4个校准参数值，在ALC开环情况下用矢网测量通道的输出增益，调整设置的四个参数使对应的四种相位状态下的输出功率相等；正交相位误差修正步骤，采用矢量信号合成原理对正交相位误差进行修正，理想正交分量为I、Q，实际分量为I₀、Q₀，合成矢量为E；由于存在正交相位误差，实际上I和Q的夹角θ不是90°，I和Q分别被修正为I₀和Q₀，保证实际合成矢量E和理想情况下是相等的；

通过计算分析，得到实际分量和理想分量之间的修正公式如下：

I₀＝I-Q×ctgθ

Q₀＝Q/sinθ

在具体操作上，首先用矢网测量出设置正交时的θ值，假设I为1、Q为0，用矢网测量出通道输出信号的相位，然后假设I为0、Q为1，再测量出通道输出信号的相位，二者的差即为正交相位θ，通过上述公式就可以计算出补偿后的IQ信号的值；

矢量调制器的非线性修正步骤，一是降低基带信号的幅度，使调制器处于良好的线性工作区；二是通过调整基带驱动电压的增益对调制器的非线性进行补偿；

通过以上补偿和修正，去除测试仪器两信号源相位差之间的非理想特性，使得两信号源之间的相位差精度更高。

3.根据权利要求1或2所述的精确表征功率晶体管匹配特性的方法，其特征在于：对于非50欧姆的功率晶体管，通过软件设计和校准，保证加到功率晶体管上的信号幅度和相位是精确可控的；同时使用一台测试仪器和相应的校准件和校准方法，即可完成其特性参数的测试。

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