CN111693777A - 一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置，包括矢量网络分析仪、射频探针、信号源、直流电源、驱动放大器、耦合器、偏置器、衰减器、连接件以及双工器；直流电源的两端分别于偏置器连接，偏置器连接射频探针，其中在偏置器和射频探针之间设置耦合器；耦合器与矢量网络分析仪连接；与左侧射频探针连接的偏置器还与调谐器连接，调谐器与信号源连接；与右侧射频探针连接的偏置器还与谐波有源负载模块连接，谐波有源负载模块包括双工器、功率放大器以及谐波信号源；衰减器设置于耦合器和矢量网络分析仪之间；本发明通过设置低功耗同向双工器，对待测器件的谐波负载阻抗进行匹配，对比只匹配基波阻抗点，使待测器件的最大效率得到显著提高。

Description

一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置及方法

技术领域

本发明涉及射频待测器件非线性测试领域，特别是涉及一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置及方法。

背景技术

近年来，包括氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)器件等微波毫米波功率器件成为了射频测试行业内研究的热点，该类器件在微波毫米波的电路装置中应用频率很高。对于这类功率器件而言，除了以通用的S参数测试等小信号测试装置获得器件在线性区的特性参数之外，能够在器件的非线性区特性测试的大信号非线性测试装置同样至关重要。

负载牵引测试就是其中的一种非常重要的非线性测试技术，对于功率器件在非线性工作状态下的最优工作性能评估和器件模型验证至关重要，是射频功率放大器的匹配设计的重要协助工具。一般来说，负载牵引测试技术分为无源负载牵引测试技术与有源负载牵引测试技术两种。有源负载牵引测试技术克服了无源机械调谐器(Tuner)速度慢、精度差等缺陷，对待测器件的输出端进行匹配，目前正被广泛研究。有源负载牵引测试技术分为闭环有源负载牵引测试和开环有源负载牵引测试两种，都是通过在待测器件的输出端进行信号输入，达到对其进行阻抗匹配的效果。

在负载牵引测试中，除了测试功率器件的基波响应会造成影响之外，多次谐波的存在，使得阻抗匹配及非线性响应同样会对待测器件的性能产生影响，严重的会导致对功率器件的性能的评估不准确。因此需要在测试过程中，需要克服多次谐波带来的影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置及方法，结构简单，使用方便。

一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置，包括矢量网络分析仪、射频探针、信号源、直流电源、驱动放大器、耦合器、偏置器、衰减器、连接件以及双工器；直流电源的两端分别于偏置器连接，偏置器连接射频探针，其中在偏置器和射频探针之间设置耦合器，所述射频探针包括左侧射频探针和右侧射频探针；耦合器与矢量网络分析仪连接；与左侧射频探针连接的偏置器还与调谐器连接，调谐器与信号源连接，调谐器与信号源之间设置有驱动放大器；与右侧射频探针连接的偏置器还与谐波有源负载模块连接，谐波有源负载模块包括双工器、功率放大器以及谐波信号源；衰减器设置于耦合器和矢量网络分析仪之间；连接件用于连接上述元器件。

进一步的，所述矢量网络分析仪中的一端口与二端口的接收机作为测试装置的主接收机。

进一步的，所述耦合器采用双向耦合器；所述双工器为低损耗同向双工器

一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试方法，所述测试方法依赖于上述的测试装置，包括如下步骤：

步骤S1：通过两个90°电桥串联，将待测器件输出端信号从双工器的端口一输入至双工器，直流信号与奇数谐波从双工器的端口二输出和注入，基波与奇次谐波从双工器的端口三输出与注入，双工器的端口四为隔离端，无信号输出；所述双工器为低损耗同向双工器；

步骤S2：通过射频同轴缆线连接其他仪器，包括矢量网络分析仪、射频探针、信号源、直流电源、驱动放大器、耦合器、偏置器、衰减器，并通过通用接口总线(GPIB)连接PC与上述仪器；

步骤S3：采用TRM校准方法对装置进行小信号矢量校准，完成小信号矢量校准之后，进行大信号功率校准；所述TRM校准方法为直通-反射-匹配负载的校准方法；

步骤S4：完成大信号矢量校准之后，开始对待测器件进行大信号功率测试；

步骤S5：对待测器件进行大信号负载牵引测试；

步骤S6：在步骤S5中，通过负载牵引测试获得了待测器件的最佳阻抗点信息，在最大效率阻抗点下进行功率扫描得到待测器件在该频率下的最大效率；

步骤S7：完成基波负载牵引测试，以及谐波负载牵引测试；

步骤S8：根据步骤S7，将待测器件的基波与二次谐波同时匹配到最佳效率阻抗点后，进行功率扫描，得到待测器件的最大效率。

进一步的，所述步骤S1基础之上，采用信号源与驱动放大器在端口三和端口四注入信号，实现对待测器件的谐波负载牵引。

进一步的，所述步骤S5中，所述大信号负载牵引测试需要在输出端负载为 500hm的条件下测试待测器件在不同输入功率下的大信号参数，对待测器件进行功率扫描；选择在待测器件增益1dB的输入功率下进行负载牵引测试。

进一步的，所述步骤S7中，在谐波负载牵引测试中，需要将基波匹配在最佳阻抗点，二次谐波匹配在反射系数模值为0.9的圆上进行谐波阻抗匹配获得二次谐波的最佳阻抗点。

本发明的有益效果为：

本发明通过设置低功耗同向双工器，对待测器件的谐波负载阻抗进行匹配，对比只匹配基波阻抗点，使待测器件的最大效率得到显著提高；

本发明利用窄带90度电桥的频率周期特性，搭建低损耗同向双工器模块，在不使用低通滤波器的情况下，将基波信号与谐波信号进行了分离，避免了滤波器对传统路径带来的损耗的影响；

本发明相比传统的负载牵引测试装置，增加了一组双向耦合器紧靠在射频探针的两侧，能够有效缩短待测器件入射波和反射波的测试路径，减小入射波和反射波在传输损耗，使得检测结果更准确。

附图说明

图1为负载牵引测试装置框图；

图2为低损耗同向双工器工作原理框图；

图3为窄带90度电桥仿真图；

图4为低损耗同向双工器仿真图；

图5为待测器件功率扫描曲线；

图6为待测器件基波负载牵引测试结果；

图7为待测器件基波最大效率点功率扫描曲线；

图8为待测器件谐波负载牵引测试结果；

图9为待测器件基波-二次谐波最大效率点功率扫描曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1所示，一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置，包括矢量网络分析仪、射频探针、信号源、直流电源、驱动放大器、耦合器、偏置器、衰减器、连接件以及双工器，上述器件皆为传统器件。直流电源的两端分别于偏置器连接，偏置器连接射频探针，其中在偏置器和射频探针之间设置耦合器，所述射频探针包括左侧射频探针和右侧射频探针。耦合器与矢量网络分析仪连接。其中与左侧射频探针连接的偏置器还与调谐器连接，调谐器与信号源连接，调谐器与信号源之间设置有驱动放大器；与右侧射频探针连接的偏置器还与谐波有源负载模块连接，谐波有源负载模块包括双工器、功率放大器以及谐波信号源。其中衰减器设置于耦合器和矢量网络分析仪之间，连接件用于连接上述元器件。在本实施例中被上述测试装置检测的待测器件为砷化镓高电子迁移率晶体管(GaAs HEMT)，信号源与矢量网络分析仪可以为一体的装置。

所述矢量网络分析仪可以采用思仪AV3672D矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪中的一端口与二端口的4组接收机作为测试装置的主接收机。通过功率计来对矢量网络分析仪内的接收机进行源功率校准。为了更加精确地测试待测器件的入射波与反射波，本发明所述的大信号负载牵引测试装置相比于传统负载牵引测试装置，增加了一组耦合器紧靠在射频探针的两侧，这样一来，待测器件入射波与反射波的测试路径与传统方式中使用矢量网络分析仪中端口内的耦合器相比，变得更短，入射波和反射波在传输路径上的损耗变小，使得接收机对波的测试更加精准和稳定。所述耦合器采用双向耦合器，所述射频探针可以采用MPI T50 GSG射频探针。在双向耦合器的两侧是一组偏置器，偏置器内包含了一个隔直流信号的电容和一个隔交流信号的电感，用来分离和叠加射频信号与直流信号，所述直流信号由直流电源产生，其中直流电源可以采用Keysight N6700C直流电源。左侧偏置器外是采用无源调谐器用于牵引待测器件的源阻抗，右侧偏置器采用信号源、功率放大器、双工器组成的射频信号注入模块作为谐波有源负载对待测器件进行信号注入，所述谐波信号源可以采用Keysight 8267D信号源；所述双工器为低功耗同向双工器，仿真图波形如图4所示。

由于本装置采用了外置一组双向耦合器的方式，能够通过增加衰减器来减少网分内接收机接收到的功率的绝对值，因此测试装置的测试功率上限值仅取决于射频探针能承受功率上限值，本实施例中使用的MPI T50 GSG射频探针的最大承受功率是5W(36.99dBm)；而测试装置测试功率下限值则取决于矢量网络分析仪中的接收机线性动态范围，本实施例所采用的思仪AV3672D矢量网络分析仪线性动态范围为110dB，因此测试装置最小测试功率值大约为-73dBm。

在本实施例中，射频信号从矢量网络分析仪一端口内设置的信号源产生，经过驱动放大器将信号放大之后，通过偏置器与双向耦合器，进入到待测器件的输入端。而待测器件输入端的反射波与入射波的采样信号通过双向耦合器的耦合端口输入到矢量网络分析仪的接收机。电脑上的测试软件通过通用接口总线(GPIB) 与矢量网络分析仪进行连接，读取矢量网络分析仪内的接收机测试值。小信号测试时，只需要获得各个端口入射波与反射波的比值，而与小信号测试不同的是，大信号测试时为了计算待测器件的各项功率参数，需要精确的读取入射波与反射波的数值。在大信号测试时除了信号在基波频率的入射波和反射波数值之外，待测器件的谐波数据同样十分重要，该装置也能够精准的测试待测器件的谐波数据。

本发明中信号源、功率放大器、低损耗同向双工器组成谐波有源负载模块。传统的同向双工器结构使用低通滤波器将基波信号与谐波信号实现分离，但随着频率的升高，滤波器会使的装置传输路径的损耗增加。因此本发明利用窄带90°电桥的频率周期特性，搭建低损耗同向双工器模块，在不使用低通滤波器的情况下，将基波信号与谐波信号进行了分离。此低损耗同向双工器原理框图如图2 所示。

一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试方法，所述测试方法包括如下步骤：

步骤S1：通过两个90°电桥串联，将待测器件输出端信号从双工器的端口一输入至双工器，直流信号与奇数谐波从双工器的端口二输出和注入，基波与奇次谐波从双工器的端口三输出与注入，双工器的端口四为隔离端，无信号输出；所述双工器为低损耗同向双工器，通过低损耗同向双工器能够不借助滤波器实现基波信号与谐波信号的分离与合成。

步骤S2：通过射频同轴缆线连接其他仪器，包括矢量网络分析仪、射频探针、信号源、直流电源、驱动放大器、耦合器、偏置器、衰减器，并通过通用接口总线(GPIB)连接PC与上述仪器，在本实施例中通过通用接口总线(GPIB) 连接PC与矢量网络分析仪。

步骤S3：采用TRM校准方法对装置进行小信号矢量校准，完成小信号矢量校准之后，进行大信号功率校准；其中所述TRM校准方法为直通-反射-匹配负载的校准方法；

步骤S4：完成大信号矢量校准之后，开始对待测器件进行大信号功率测试；所述大信号功率测试常见的参数包括增益(Gain)、输出功率(Pout)、输入功率 (Pin)、资用输入功率(Pav)、输出效率(PAE)、漏极效率(Drain_Eff)。

步骤S5：对待测器件进行大信号负载牵引测试；所述大信号负载牵引测试需要在输出端负载为500hm的条件下测试待测器件在不同输入功率下的大信号参数，即对待测器件进行功率扫描。

步骤S6：在步骤S5中，通过负载牵引测试获得了待测器件的最佳阻抗点信息，在最大效率阻抗点下进行功率扫描得到待测器件在该频率下的最大效率。

步骤S7：完成基波负载牵引测试，以及谐波负载牵引测试。

步骤S8：根据步骤S7，将待测器件的基波与二次谐波同时匹配到最佳效率阻抗点后，进行功率扫描，得到待测器件的最大效率。

如图2、3所示，对于90°电桥来说，当耦合线的长度与信号的四分之一波长匹配时，耦合端的插入损耗最小，此时直通端的插入损耗最大；而当耦合线的长度与信号的二分之一波长匹配时，耦合端的插入损耗最大，直通端的插入损耗最小，并随着频率增加该特性持续循环。窄带90°电桥的仿真结果如图3所示。在步骤S1基础之上，采用信号源与驱动放大器在端口三和端口四注入信号，实现对待测器件的谐波负载牵引。该低损耗同向双工器仿真结果如图3。

为了验证本发明所提出的基于低损耗同向双工器的谐波有源负载牵引在片测试装置的可行性，搭建图1所示的负载牵引测试装置。在2GHz频率下砷化镓高电子迁移率晶体管(GaAs HEMT)器件，即待测器件，进行基波与谐波负载牵引测试，获得待测器件在非线性区的大信号参数。

所述步骤S5中待测器件功率扫描曲线如图5所示。由图5可知，随着输入功率的增大，待测器件的输出功率逐渐趋向饱和，并且随着输入功率的增加，待测器件增益开始压缩，进入非线性区，对其进行负载牵引测试。一般来说选择在待测器件增益1dB的输入功率下进行负载牵引测试。

如图6、7所示，图6为待测器件的基波负载牵引测试结果，图7为功率扫描曲线。在得到待测器件的增益1dB压缩点后，在此输入功率下对待测器件进行基波负载牵引测试，目的是为了找出最大效率以及其对应的基波阻抗点。通过待测器件基波负载牵引测试数据，通过史密斯圆图上画出等效率圆，直观的给出测试结果，如图6。通过负载牵引测试获得了待测器件的最佳阻抗点信息，在最大效率阻抗点下进行功率扫描能够得到待测器件在该频率下的最大效率，功率扫描曲线如图7所示。

由图5可知，随着输入功率的增加待测器件的输出功率逐渐饱和，而待测器件的效率在达到最大后开始下降。通过以上测试数据能过对待测器件在大信号工作状态下的具体性能，在本实施例中待测器件最大效率阻抗点的幅值为0.31，角度为37.85°，通过在此阻抗点下进行功率扫描，得到待测器件此偏压2GHz下的最大效率为58.53％。

如图8所示，在步骤S7中，在完成待测器件的基波负载牵引测试后，待测器件的谐波负载阻抗匹配同样会对待测器件的大信号参数产生影响，因此需要对待测器件进行谐波负载牵引测试。采用所提出的基于低损耗同向双工器的谐波阻抗合成方法，能够实现基波与二次谐波负载牵引测试。由于二次谐波阻抗匹配特性，只需要将基波匹配在最佳阻抗点，二次谐波匹配在反射系数模值为0.9的圆上进行谐波阻抗匹配即可获得二次谐波的最佳阻抗点。谐波负载牵引测试结果如图8所示。最大效率二次谐波最佳阻抗点的幅值为0.93，角度为9.32度。此时的待测器件效率为67.63％。

如图9所示，所述步骤S8中，此时，将待测器件的基波与二次谐波同时匹配到最佳效率阻抗点，进行功率扫描，能够得到待测器件的最大效率，测试结果如图9，通过对比可以发现相比于只匹配基波阻抗点，待测器件的最大效率较图7得到了显著的提高，证明了谐波负载阻抗匹配的重要性，同时证明了本文所提出的基于低损耗同向双工器的谐波有源负载牵引方法的可行性。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置，其特征在于，包括矢量网络分析仪、射频探针、信号源、直流电源、驱动放大器、耦合器、偏置器、衰减器、连接件以及双工器；直流电源的两端分别于偏置器连接，偏置器连接射频探针，其中在偏置器和射频探针之间设置耦合器，所述射频探针包括左侧射频探针和右侧射频探针；耦合器与矢量网络分析仪连接；与左侧射频探针连接的偏置器还与调谐器连接，调谐器与信号源连接，调谐器与信号源之间设置有驱动放大器；与右侧射频探针连接的偏置器还与谐波有源负载模块连接，谐波有源负载模块包括双工器、功率放大器以及谐波信号源；衰减器设置于耦合器和矢量网络分析仪之间；连接件用于连接上述元器件。

2.根据权利要求1所述一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置，其特征在于，所述矢量网络分析仪中的一端口与二端口的接收机作为测试装置的主接收机。

3.根据权利要求1所述一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试装置，其特征在于，所述耦合器采用双向耦合器；所述双工器为低损耗同向双工器。

4.一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试方法，所述测试方法依赖于权利要求1所述的测试装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：通过两个90°电桥串联，将待测器件输出端信号从双工器的端口一输入至双工器，直流信号与奇数谐波从双工器的端口二输出和注入，基波与奇次谐波从双工器的端口三输出与注入，双工器的端口四为隔离端，无信号输出；

步骤S2：通过射频同轴缆线连接其他仪器，包括矢量网络分析仪、射频探针、信号源、直流电源、驱动放大器、耦合器、偏置器、衰减器，并通过通用接口总线连接PC与上述仪器；

步骤S3：采用TRM校准方法对装置进行小信号矢量校准，完成小信号矢量校准之后，进行大信号功率校准；所述TRM校准方法为直通-反射-匹配负载的校准方法；

步骤S4：完成大信号矢量校准之后，开始对待测器件进行大信号功率测试；

步骤S5：对待测器件进行大信号负载牵引测试；

步骤S6：在步骤S5中，通过负载牵引测试获得了待测器件的最佳阻抗点信息，在最大效率阻抗点下进行功率扫描得到待测器件在该频率下的最大效率；

步骤S7：完成基波负载牵引测试，以及谐波负载牵引测试；

步骤S8：根据步骤S7，将待测器件的基波与二次谐波同时匹配到最佳效率阻抗点后，进行功率扫描，得到待测器件的最大效率。

5.根据权利要求4所述的一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试方法，其特征在于，所述步骤S1基础之上，采用信号源与驱动放大器在端口三和端口四注入信号，实现对待测器件的谐波负载牵引。

6.根据权利要求4所述的一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述大信号负载牵引测试需要在输出端负载为500hm的条件下测试待测器件在不同输入功率下的大信号参数，对待测器件进行功率扫描；选择在待测器件增益1dB的输入功率下进行负载牵引测试。

7.根据权利要求4所述的一种基于双工器的高频多次谐波阻抗合成测试方法，其特征在于，所述步骤S7中，在谐波负载牵引测试中，需要将基波匹配在最佳阻抗点，二次谐波匹配在反射系数模值为0.9的圆上进行谐波阻抗匹配获得二次谐波的最佳阻抗点。

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