CN106959389A

CN106959389A - 一种分频段负载牵引测试方法

Info

Publication number: CN106959389A
Application number: CN201710159809.2A
Authority: CN
Inventors: 陈勇波
Original assignee: Chengdu Hiwafer Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Hiwafer Technology Co Ltd
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: CN106959389B

Abstract

本发明提供一种分频段负载牵引测试方法，包括以下步骤：S1、将超宽带放大器的工作频带划分为第一频带、第二频带及第三频带，划分规则为：f_L≦第一频带<f_H/3；f_H/3≦第二频带<f_H/2；f_H/2≦第三频带≦f_H；S2、判断目前最低频带的频带宽度是否大于一个倍频程；S3、如果大于一个倍频程，则按照步骤S1的划分规则将目前最低频带细分为3个子频带，重复步骤S2；S4、如果不大于一个倍频程，进行步骤S5；S5、根据放大器工作频带宽度，在划分出的N个频带内分别选取需要做负载牵引的测试频点；S6、对各个测试频点进行负载牵引测试，得到放大器在各个频带里的性能最佳阻抗点；S7、根据各个频带里的性能最佳阻抗点得到晶体管在整个超宽带内的最佳阻抗点。

Description

一种分频段负载牵引测试方法

技术领域

本发明属于射频微波测试技术领域，具体涉及一种分频段负载牵引测试方法。

背景技术

射频微波晶体管的负载牵引测试数据常用来设计功率放大器电路或验证晶体管非线性模型的准确性。所谓负载牵引是指，通过机械式或电子式的阻抗调谐器，调谐晶体管的输入输出阻抗，得到晶体管性能，如功率增益、输出功率、效率等，随输入输出阻抗点的变化关系，从而找到晶体管性能最佳的阻抗点。

在通信系统应用中，对放大器的效率要求很高，在进行高效率功率放大器设计时，常采用开关类放大器工作模式，比如F类、J类等，这类型放大器的工作原理是通过对晶体管谐波阻抗的精确控制，使得晶体管的工作电压电流波形在一个信号周期类的乘积为零，即没有功耗或功耗很小，这类放大器理论上的最高效率可达到100％。但这种开关类放大器设计对晶体管模型的精度要求很高，特别是对谐波分量的模拟精度要求。而对于射频微波晶体管，特别是宽带大功率应用的晶体管，由于其自身建模难度的限制，模型精度不高，很难满足应用要求。因此，在进行这类宽带大功率放大器设计时，常采用晶体管负载牵引测试得到的最佳阻抗进行匹配电路设计。

当放大器的工作频带超过一个倍频程后，其最低工作频率f_L的二次谐波频率2*f_L已经掉落在了工作频带内，因此，传统的负载牵引测试方法无法对晶体管谐波阻抗进行调谐；但仅调谐基波阻抗，又不能充分发掘晶体管的高效率性能。特别是近年来随着GaN HEMT器件的兴起，其超宽带高效率功率放大器成为研究热点。因此，传统的负载牵引测试方法不能满足目前超宽带高效率功率放大器的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分频段负载牵引测试方法，该方法可以很好地解决传统的负载牵引测试方法无法对超宽带放大器谐波阻抗进行调谐的问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种分频段负载牵引测试方法，包括以下步骤：

S1、将超宽带放大器的工作频带划分为第一频带、第二频带及第三频带，划分规则为：f_L≦第一频带<f_H/3；f_H/3≦第二频带<f_H/2；f_H/2≦第三频带≦f_H，f_L为待划分频带的最低工作频率，f_H为待划分频带的最高工作频率；

S2、判断目前最低频带的频带宽度是否大于一个倍频程；

S3、如果大于一个倍频程，则按照步骤S1的划分规则将目前最低频带细分为3个子频带，重复步骤S2；

S4、如果不大于一个倍频程，进行步骤S5；

S5、根据放大器工作频带宽度，在划分出的N个频带内分别选取需要做负载牵引的测试频点；

S6、对各个测试频点进行负载牵引测试，得到放大器在各个频带里的性能最佳阻抗点；

S7、根据各个频带里的性能最佳阻抗点得到晶体管在整个超宽带内的最佳阻抗点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：该方法将放大器工作频带划分为N个子频带，对各个子频带内的测试频点分别进行基波和谐波阻抗调谐，分别得到各个频点对应的最佳阻抗，可用于设计超过一个倍频程的射频微波放大器电路，能充分挖掘晶体管的潜能，实现放大器在整个超宽频带内的最佳性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

如图1所示，本实施例提供一种分频段负载牵引测试方法，该方法适用于超过一个倍频程的超宽带射频微波放大器负载牵引测试，适用的器件类型包括GaN HEMT、Si LDMOS、GaAs pHEMT等。本发明将以一款GaN HEMT超宽带高效率功率放大器负载牵引测试为实例，该放大器的工作频带为0.2GHz～3GHz，采用的器件型号为Cree CGH40010，该方案包括以下步骤：

S2、判断目前最低频带的频带宽度是否大于一个倍频程，即判断目前最低频带的最高工作频率与最低工作频率的比值是否大于2；

S4、如果不大于一个倍频程，进行步骤S5；

本实施例中，待划分的工作频带为0.2GHz～3GHz，即f_L为0.2GHz，f_H为3GHz，则第一频带为0.2GHz～1GHz，第二频带为1GHz～1.5GHz，第三频带为1.5GHz～3GHz。经过步骤S1后，目前最低频带为第一频带0.2GHz～1GHz，明显最高工作频率1GHz与最低工作频率0.2GHz的比值大于2，需要对第一频带进行细分。待划分的频带为第一频带0.2GHz～1GHz，即f_L为0.2GHz，f_H为1GHz，按照划分规则细分为0.2～0.333GHz、0.333～0.5GHz和0.5～1GHz三个子频带。目前最低频带为0.2～0.333GHz，明显最高工作频率0.333GHz与最低工作频率0.2GHz的比值不大于2，满足小于一个倍频程的要求，因此无需继续细分，进行步骤S4。

经过步骤S1～S4，最终将工作频带划分为N个频带(N≥3)，本实例中，N＝5，划分出来的频带分别为0.2～0.333GHz、0.333～0.5GHz、0.5～1GHz、1GHz～1.5GHz及1.5GHz～3GHz。可以发现，频带划分满足如下规则：第k(1≤k≤N-2)个频带内的较低频部分频点信号的二次谐波掉落在第k+1个频带内，较高频部分的二次谐波掉落在第k+2个频带内，其三次谐波掉落在第k+2个频带内；第N-1个频带内的频点信号的二次谐波掉落在第N个频带内，三次谐波掉落在工作频带外；第N个频带内的频点信号的二次谐波和三次谐波都掉落在工作频带外。

S5、根据放大器工作频带宽度，在划分出的各个频带内分别选取需要做负载牵引的测试频点；

工作频带越宽，需要选取的测试频点越多，但如果选取的测试频点过多，史密斯圆图上牵引得到的各频点最佳阻抗间隔过密，测试量过大；若选取的测试频点过少，又不能充分反映放大器在宽频带内的阻抗变化范围；因此，一般选取5～15个频点为宜。

S51、以最低工作频率f_L为起始，选取其二倍频2*f_L和三倍频3*f_L作为测试频点，然后以此为基础，继续选已选取测试频点的二倍频和三倍频作为测试频点，逐渐递增，直到选取的测试频点大于最高工作频率f_H为止；

根据此规则，选取的测试频点从低到高依次为：f_L、2*f_L、3*f_L、4*f_L、6*f_L、8*f_L、9*f_L、12*f_L、16*f_L、18*f_L……f_H。本实例中，对应的频点为0.2GHz、0.4GHz、0.6GHz、0.8GHz、1.2GHz、1.6GHz、1.8GHz、2.4GHz、3GHz。

S52、根据已选取的测试频点分析得到待选的频点；

待选频点的选取规则为：第N-1个频段内选取的测试频点f_b，若其二倍频2*f_b和三倍频的一半3*f_b/2均掉落在第N个频带中，则频点2*f_b和频点3*f_b/2属于待选的频点；第N个频带内选取的测试频点f_c，若其三倍频的一半3*f_c/2掉落在第N个频带内，则频点3*f_c/2属于待选的频点；另外，若第N个频带的测试频点间隔较大，则频点(f_H/2+f_H)/2也属于待选的频点，即2.25GHz，但由于本实施例中第N个频带的测试频点间隔不大，所以忽略2.25GHz频点。

本实施例中，待选的频点为2.7GHz；

S53、根据选取的测试频点间隔大小，在已选取的测试频点之间插入待选的频点，得到最终测试频点；

本实施例中，最终测试频点为0.2GHz、0.4GHz、0.6GHz、0.8GHz、1.2GHz、1.6GHz、1.8GHz、2.4GHz、2.7GHz和3GHz，共10个频点。

本步骤开始对放大器所使用的晶体管进行负载牵引测试，为充分发掘晶体管的性能，在进行负载牵引测试时，除了对晶体管的基波阻抗进行调谐之外，同时还需要对其谐波阻抗进行精确控制。

本实例中，设计一款GaN HEMT超宽带高效率功率放大器，采用的器件型号为CreeCGH40010，该器件为一款输出功率10W、28V工作的法兰封装晶体管器件，工作类型为AB类。在工作频带内，在满足其它指标的前提下，为最大程度的提高放大器的功率附加效率PAE，需要在负载牵引测试时，对器件进行谐波阻抗调谐。对GaN HEMT器件而言，输入谐波阻抗对效率的影响不大，主要是输出谐波阻抗对效率的影响较大，其中又以二次和三次谐波为主，超过三次谐波后影响不大。因此，本实例中，对GaN HEMT晶体管的输出基波、二次谐波和三次谐波进行阻抗调谐，对输入阻抗仅进行基波调谐，得到晶体管性能最优的阻抗点。

根据步骤S53中选出的测试频点，本发明提出从高频段到低频段的顺序进行负载牵引测试。

S61、对第N个频带内的各个测试频点分别进行输入基波阻抗源牵引和输出基波、二次谐波和三次谐波阻抗调谐，得到放大器在第N个频带内的性能最佳阻抗点；

在第N个频带内的某个测试频点f_c，其三倍频的一半3*f_c/2也可能掉落在第N个频带内，因此本发明提出在第N个频带内按照从高频到低频的顺序进行负载牵引测试。当第N个频带内某频点信号f_c1的三倍频3*f_c1与另一频点信号f_c2的二倍频2*f_c2相等，则应该先对f_c2进行负载牵引测试，得到最佳的基波和谐波阻抗，然后再对频点f_c1进行负载牵引，并将频点f_c1三次谐波阻抗固定为f_c2频点的最优二次谐波阻抗，然后再进行f_c1的基波和二次谐波阻抗牵引测试。当第N个频带内的所有选取的频点测试完成后，得到晶体管在第N个频带内各个测试频点对应的性能最佳阻抗点，包括最佳基波、二次谐波和三次谐波阻抗。

本实例中，根据步骤S53中选取的测试频点，第N＝5个频带内的测试频点包括1.6GHz、1.8GHz、2.4GHz、2.7GHz和3GHz，其二次谐波频率分别为3.2GHz、3.6GHz、2.8GHz、5.4GHz和6GHz，其三次谐波频率分别为4.8GHz、5.4GHz、7.2GHz、8.1GHz和9GHz。按照从高频率到低频率的顺序，进行负载牵引测试。以1.8GHz为例，首先对GaN HEMT晶体管进行输入基波阻抗牵引测试，得到晶体管最大增益对应的输入阻抗点，并将输入阻抗调谐器(tuner)调谐到该阻抗点固定；然后进行输出阻抗牵引，由于1.8GHz的三倍频与2.7GHz的两倍频相等，因此先将晶体管的输出三次谐波阻抗固定为之前2.7GHz测试时得到的最佳二次谐波阻抗点，然后再进行1.8GHz频点下的输出基波阻抗牵引测试，得到晶体管最大输出功率对应的基波阻抗点，并将输出阻抗调谐器的基波阻抗调谐到该点固定；然后进行输出二次谐波阻抗牵引测试，得到晶体管最大PAE对应的二次谐波阻抗点。同样，对于1.6GHz频点进行基波负载牵引测试前，其三倍频与2.4GHz的两倍频相等，因此先将晶体管的输出三次谐波阻抗固定为之前2.4GHz测试时得到的最佳二次谐波阻抗点，然后再进行1.6GHz频点下的输出基波阻抗牵测试，得到晶体管最大输出功率对应的基波阻抗点，并将输出阻抗调谐器的基波阻抗调谐到该点固定；然后进行输出二次谐波阻抗牵引测试，得到晶体管最大PAE对应的二次谐波阻抗点。当第N个频带内的所有选取的频点测试完成后，得到晶体管在该频带内测试频点对应的性能最佳阻抗点。

S62、对第N-1个频带内的各个测试频点分别进行基波阻抗调谐，此时晶体管的二次谐波阻抗应固定为对应测试频点的二倍频频点的基波阻抗，其三次谐波阻抗应固定为对应测试频点的三倍频频点的二次谐波阻抗，得到放大器在第N-1个频带内的性能最佳阻抗点；

根据步骤S4中的频带划分规则以及步骤S5中的测试频点选取规则，第N-1个频带内的测试频点f_b的二倍频2*f_b和三倍频的一半3*f_b/2均掉落在第N个频带中，并且已作为测试频点在步骤S61中进行了负载牵引测试。因此仅需要对第N-1个频带内的测试频点f_b进行基波阻抗调谐，此时，其输出二次谐波阻抗固定为频点2*f_b的基波阻抗，其三次谐波阻抗固定为频点3*f_b/2的二次谐波阻抗。当第N-1个频带内的所有选取的频点测试完成后，最后得到晶体管在第N-1频带内测试频点对应的性能最佳阻抗点。

本实例中，根据步骤S53中选取的测试频点，第4个频带内的测试频点仅有1.2GHz，其二次谐波和三次频率分别为2.4GHz和3.6GHz。首先将晶体管的输出二次谐波阻抗固定为步骤S61中2.4GHz牵引得到的输出基波最佳阻抗点，并将输出三次谐波阻抗固定为步骤S61中1.8GHz牵引得到的输出二次谐波最佳阻抗点；然后再进行输入基波牵引和输出基波牵引，分别得到晶体管最大增益和最大PAE对应的阻抗点。

若采用传统的负载牵引方法对第N-1个频带内的频点进行负载牵引测试，由于其二次谐波掉落在了第N个频段内，不能再进行谐波阻抗调谐，仅进行基波阻抗牵引，无法固定谐波阻抗点具体的数值，其得到的输出基波最佳阻抗点与本实例得到输出基波最佳阻抗点不同，从而不能实现晶体管的最佳性能。

S63、按照从高频带到低频带的顺序，对第k(1≤k≤N-2)个频带内的各个测试频点分别进行基波阻抗调谐，此时晶体管的二次谐波阻抗应固定为对应测试频点的二倍频频点的基波阻抗，其三次谐波阻抗应固定为对应测试频点的三倍频频点的基波阻抗，得到放大器在第k个频带内的性能最佳阻抗点；

同样，根据步骤S4中的频带划分原则以及步骤S5中的测试频点选取原则，第k个频带内的测试频点f_a的二倍频2*f_a一部分掉落在第k+1个频带中，另一部分掉落在第k+2个频带中，测试频点f_a的三倍频3*f_a掉落在了第k+2个频带中，并且已作为测试频点分别在之前的步骤中进行了负载牵引测试。因此仅需要对第k个频带内的测试频点f_a进行基波阻抗调谐，此时，若测试频点的二倍频掉落在第k+1个频带内，则其输出二次谐波阻抗固定为第k+1个频带内频点2*f_a的基波阻抗；若测试频点的二倍频掉落在第k+2个频带内，则其输出二次谐波阻抗固定为第k+2个频带内频点2*f_a的基波阻抗；其三次谐波阻抗固定为第k+2个频带内频点3*f_a的基波阻抗，得到放大器在第k个频带内的最佳性能。当第k个频带内的所有选取的频点测试完成后，得到晶体管在该频带内测试频点对应的性能最佳阻抗点。

本实例中，根据步骤S4划分的测试频带共5个，经过步骤S61和步骤S62之后，还剩0.2～0.333GHz、0.333～0.5GHz和0.5～1GHz三个频带未进行负载牵引测试，这三个频带分别对应k＝1、2和3。本步骤中，将按照频率从高到底的顺序，分别进行负载牵引测试。以k＝3为例，根据步骤S53中选取的测试频点，该频带内的测试频点有0.6GHz和0.8GHz，其二次谐波频率分别为1.2GHz和1.6GHz，三次频率分别为1.8GHz和2.4GHz。以0.6GHz负载牵引测试为例，首先将晶体管的输出二次谐波阻抗固定为步骤S62中1.2GHz牵引得到的输出基波最佳阻抗点，并将输出三次谐波阻抗固定为步骤S61中1.8GHz牵引得到的输出基波最佳阻抗点；然后再进行输入基波牵引和输出基波牵引，分别得到晶体管最大增益和最大PAE对应的阻抗点。

重复此步骤，当所剩的k个频带选取的测试频点都进行负载牵引测试后，得到晶体管在第k个频带内测试频点对应的性能最佳阻抗点。

同样，若采用传统的负载牵引方法对第k个频带内的频点进行负载牵引测试，由于其二次谐波一部分掉落在第k+1个频带中，另一部分掉落在第k+2个频带中，三次谐波掉落在了第k+2个频带中，不能再进行谐波阻抗调谐，仅进行基波阻抗牵引，其得到的输出基波最佳阻抗点与本实例得到输出基波最佳阻抗点不同，从而不能实现晶体管的最佳性能。

S7、经过步骤S1～S6后，得到晶体管在整个超宽带内的最佳阻抗点。

根据最佳阻抗点可以进行宽带放大器的设计，可以采用分布式传输线结合集总元件的方法分别设计输入和输出匹配电路以及偏置电路，最后实现这款GaN HEMT超宽带高效率功率放大器。

本实例中，根据本发明方案进行放大器设计与传统负载牵引测试方法进行放大器设计相比，GaN HEMT超宽带功率放大器的最大PAE将提高5％～10％。

以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。

Claims

1.一种分频段负载牵引测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、判断目前最低频带的频带宽度是否大于一个倍频程；

S4、如果不大于一个倍频程，进行步骤S5；

2.根据权利要求1所述的分频段负载牵引测试方法，其特征在于，所述步骤S5中选取的测试频点为5～15个。

3.根据权利要求1或2所述的分频段负载牵引测试方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

S51、以最低工作频率f_L为起始，选取其二倍频2*f_L和三倍频3*f_L作为测试频点，以此为基础，继续选取已选取测试频点的二倍频和三倍频作为测试频点，直到选取的测试频点大于最高工作频率f_H为止；

S52、根据已选取的测试频点分析得到待选的频点；

S53、根据选取的测试频点间隔大小，在已选取的测试频点之间插入待选的频点，得到最终测试频点。

4.根据权利要求3所述的分频段负载牵引测试方法，其特征在于，所述步骤S52中待选频点的选取规则为：第N-1个频段内的测试频点f_b，若其二倍频2*f_b和三倍频的一半3*f_b/2均掉落在第N个频带中，则频点2*f_b和频点3*f_b/2为待选的频点；第N个频带内选取的测试频点f_c，若其三倍频的一半3*f_c/2掉落在第N个频带内，则频点3*f_c/2为待选的频点；频点(f_H/2+f_H)/2为待选的频点。

5.根据权利要求3所述的分频段负载牵引测试方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

S63、按照从高频带到低频带的顺序，对第k(1≤k≤N-2)个频带内的各个测试频点分别进行基波阻抗调谐，此时晶体管的二次谐波阻抗应固定为对应测试频点的二倍频频点的基波阻抗，其三次谐波阻抗应固定为对应测试频点的三倍频频点的基波阻抗，得到放大器在第k个频带内的性能最佳阻抗点。