JP2698111B2

JP2698111B2 - マイクロ波半導体素子の特性測定装置及び方法

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Publication number: JP2698111B2
Application number: JP22403688A
Authority: JP
Inventors: 昌生西田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1988-09-07
Filing date: 1988-09-07
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JPH0271173A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明はマイクロ波帯で使用されるGaAsFETやHEMTな
どのマイクロ波半導体素子等の被測定用デバイス（以下
DUTという）の雑音パラメータ及び又は利得パラメータ
を簡単かつ精度良く測定するDUTの特性測定装置及びDUT
の特性測定方法に関するものである。

（ロ）従来の技術一般に、GaAsFETをはじめとするマイクロ波半導体素
子の雑音パラメータは、最小雑音指数NFmin、等価雑音
抵抗rn、最適入力信号源反射係数「optを指し、利得パ
ラメータは、最大有能利得Gamax、Gamax時入力信号源反
射係数「gaopt、NFmin時付随利得Gaを指す。

そして、雑音パラメータ及び利得パラタータの測定法
は、通常第３図に示すような測定装置により測定が行な
われる。

すなわち、第３図において、（31）はマイクロ波雑音
の発生する雑音源、（32）はアイソレータ、（33）はア
イソレータを介して雑音源（31）に接続されたスタプチ
ユーナ等からなる入力側チユーナ、（34）は被測定物と
してのマイクロ波FETなどのマイクロ波半導体素子（以
下DUTという）であり、このDUT（34）には、ゲート等の
入力端子がチユーナ（33）に接続され、バイアス電源
（35）によるバイアスが供給され、チユーナ（33）を介
して雑音源（31）からのマイクロ波雑音が入力される。

（36）はDUT（34）のドレイン等の出力端子に接続さ
れたスタブチユーナ等からなる出力側からなる出力側チ
ユーナ、（37）はアイソレータ、（38）はアイソレータ
を介したDUT（34）の出力雑音と局部発振回路（39）の
局部発振信号とを混合してDUT（34）のマイクロ波出力
雑音を局部発振信号の周波数との基の周波数に変換する
ミキサ、（40）は雑音計であり、ミキサ（38）からの雑
音が入力され、DUT（34）のみの雑音指数NF、及び利得G
aを測定して表示する。

そして、雑音源（31）によるマイクロ波雑音をDUT（3
4）に入力し、雑音計（40）の雑音指数NFの表示が最小
となるように両チユーナ（33）（36）を操作し、直接最
小雑音指数NFmin、NFmin時付随利得Gaを測定する。この
最小雑音指数NFminとNFmin時付随利得Gaが得られた状態
において、DUT（34）とチユーナ（33）とのコネクタ等
の接続部を取り外し、チユーナ（33）の接続部（33）の
接続部を第３図には示されていないネツトワークアナラ
イザに接続してそのときの反射係数を測定することで、
最適入力信号源反射係数「optを得ることができる。

なお、DUT（34）は伝送線路で構成されたテストフイ
クスチユア部の中心にセツトされているので、上述の如
く求めた最適入力信号源反射係数「optは、第３図中の
よりチユーナ（33）側を見た値である。従って、DUT
（34）の最適入力信号源反射係数「optを求めるため
に、前記テストフイクスチユア部を補正する必要があ
る。この補正には伝送線路の等価回路モデルで計算した
補正値を用いる。

また、等価雑音抵抗rnを求めるには、上述の最小雑音
指数NFmin、最適入力信号源反射係数「optの外に、もう
一組の雑音指数、入力信号源反射係数を必要とするの
で、DUT（34）とチユーナ（33）とのコネクタ等の接続
部を取り外し、DUT（34）をアイソレータ（32）に接続
して雑音計（40）により特性インピーダンス50Ωの雑音
指数を測定する（尚、このときの入力信号反射係数は
０）。そして、得られた特性インピーダンス50Ωの雑音
指数NF₅₀、最小雑音指数NFmin、最適入力信号源反射係
数「optから、等価雑音抵抗rnがで導出される。

更に、最大有能利得Gamax、Gamax時入力信号源反射係
数「ga optは、測定装置を図示の如く戻し、上述のNFmi
n時付随利得Gaと、最適入力信号源反射係数「optを求め
る手順に準じて測定すれば良いが、異なるところは、チ
ユーナ（33）の調整操作を行なうにあたって、NFを無視
して、利得が最大となるようにチユーニングする点であ
る。即ち、利得が最大となったその値がGamax、その時
の入力インピーダンス「ga optであり、これは「optの
測定と同じ方法で求める。（1987 IEEE MTT・S Digest
P517〜P520“A NEW AUT OMATED NOISE AND GAIN PARAM
ETER MEASUREMENT SYSTEM"参照）これとは別に、入力側のチユーナとして再現性の良い
オートチユーナ（コンピユータでスタブ位置を任意に設
定することができその設定位置を再現性良く復元できる
もの）を用いて、あらかじめ４点以上の入力信号源反射
係数を反射計で測定しておき所定の補正を加味して決定
しておき、次に前記オートチユーナの各設定値に対する
雑音指数及び利得を、各設定値毎に出力側チユーナを利
得が最大となるように調節しながら測定し、これらのデ
ータに基いてDUTの上記各特性を演算により求める方法
がある（特願昭62−264141号明細書参照）。

（ハ）発明が解決しようとする課題しかしながら、上述した従来の測定方法では、最適入
力信号源反射係数「optやGamax時入力信号源反射係数
「ga optを計測する度に、チユーナ（33）とDUT（34）
の接続部を取り外す操作が入り、イ接続部が損傷し易
く、性能が早期に劣化する、ロ最適入力信号源反射係数
「optと、Gamax時入力信号源反射係数「ga optの高い測
定精度及び測定の再現性を得ることがこ難である。同様
に等価雑音抵抗rnの測定精度及び再現性を得ることが困
難である、という欠点がある。

特にロについて詳述すれば、雑音計（40）を用いて最
小雑音指数NFminとなるようチユーニングするが、雑音
計（40）の感度に限界があるため、チユーニングが多少
ずれても、雑音計（40）が動かず、同一の最小雑音指数
NFminであっても、最適入力信号源反射係数が測定毎に
異なり、真値を測定するのは極めて難しい。

又、上述の第２の従来例では上記イ、ロの問題は解決
されるが、ハ１つのDUTに対して少くとも４点（通常８
点程度）のNF及び利得を測定するため、出力側チユーナ
（36）を調整する作業も同じ回数だけ必要であり、その
結果として測定時間の効率が悪くなる。この出力側チユ
ーナをオートチユーナとしての、その調整、設定に要す
る時間によって測定効率が低下するという問題点があ
る。本発明は、上述の問題に鑑み為されたものであり、
マイクロ波半導体素子と入力側チユーナ等との接続部を
取り外すことなく、又、出力側チユーナを具備しないた
め該チユーナを調整、設定するという作業を必要としな
い簡単かつ測定精度の良いマイクロ波半導体素子の特性
測定ができるマイクロ波半導体素子の特性測定装置及び
方法を提供しようとするものである。

（ニ）課題を解決するための手段本発明装置は、マイクロ波雑音を発生する雑音源と、
該雑音源からのマイクロ波雑音を入力するチユーナと、
マイクロ波半導体素子等の被測定用デバイス（DUT）
と、反射計と、雑音指数及び利得を測定する雑音計と、
前記チユーナからの出力雑音を前記被測定用デバイス又
は前記反射計に選択的に付与する第１スイツチ手段と、
前記被測定用デバイスを前記反射計又は前記雑音計に選
択的に接続する第２スイツチ手段と、前記チユーナ及び
前記第１、第２スイツチ手段に制御信号を供給すると共
に、前記反射計及び前記雑音計から出力されるデータを
記憶し、このデータに基づき上記マイクロ波半導体素子
の雑音パラメータ及び又は利得パラメータを演算するプ
ロセツサとを備えていることを特徴とするものである。

また、本発明方法は、雑音源と、チユーナと、マイク
ロ波半導体素子等の被測定用デバイスと、該素子の雑音
指数と利得を測定する雑音計とを縦続してなる第１測定
系を用いて、前記チユーナの少なくとも４つの異なる設
定位置での前記素子の雑音指数と利得に関するデータ
（第１データ）を計測し、前記雑音源と、前記チユーナ
と、反射計とを縦続接続してなる第２測定系を用いて、
前記チユーナの前記各設定位置での入力信号源反射係数
に関するデータ（第２データ）を計測し、前記被測定用
デバイスを前記反射計に接続してなる第３測定系を用い
て、該被測定用デバイスの出力側がチユーナで整合され
ていないことに基づく損失分に関するデータ（第３デー
タ）を計測し、上記第１、第２、第３データを演算し
て、上記マイクロ波半導体素子の雑音パラメータ及び又
は利得パラメータを導出することを特徴とするものであ
る。

（ホ）作用本発明装置は上述の如く構成してDUTの雑音パラメー
タ及び又は利得パラメータを導出するようにしているの
で、即ち、DUTの出力側にチユーナを設備しなくても良
いようにしているので、このチユーナの調整作業が節約
でき測定の効率化が図れる。なお、このチユーナを挿入
しないことによって測定されるNFは、若しチユーナを挿
入していた時に得られる整合分の利得がチユーナを挿入
しない次は損失となって打ち消されることになるので出
力側を整合した時のNFと前記損失と縦続接続となって測
定され、また、利得は前記損失分だけ減じられて測定さ
れることになる。この損失分をDUTのＳパラメータから
演算により求めることにより、DUTのNF及び利得の真値
を得ることができる。

又、本発明方法によれば、DUTを装置に装備するだけ
で、そのDUTの雑音パラメータ及び又は利得パラメータ
を自動的に導出することができ、出力側のチユーナを備
えこのチユーナの調節、設定操作を要した従来方法に比
べて測定効率を著しく向上させることができる。

（ヘ）実施例本発明装置の一実施例を、第１図の概略構成図を参考
にして説明する。

第１図において、（１）はマイクロ波雑音を発生する
マイクロ波雑音源、（２）（３）（４）（５）は第１、
第２、第３、第４スイツチ手段、（６）は上記マイクロ
波雑音を第３スイツチ手段（４）及びアイソレータ
（７）を経由して入力するオートチユーナ、（８）は該
オートチユーナからの出力雑音を第１スイツチ手段
（２）を経由して入力するマイクロ波半導体素子等の被
測定デバイス（DUT）、（９）はこのDUTに動作バイアス
を付与するバイアス用電源、（10）はDUTからの出力雑
音を第２スイツチ手段（２）を経由して入力するアイソ
レータ、（11）はこのアイソレータからの出力を第４ス
イツチ手段（５）を経由して入力すると共に局部発振器
（12）からの局部発振信号とを混合してDUT（８）のマ
イクロ波出力雑音を局部発振信号の周波数との差の周波
数に変換するミキサ、（13）はこのミキサ出力を入力し
てDUTのみの雑音指数NF及び利得Gaをデジタル表示する
雑音計、（14）は第１ポート（15）と第２ポート（16）
を有する反射計、（17）は上記オートチユーナ（６）及
び第１、第２、第３、第４スイツチ手段（２）（３）
（４）（５）を制御し、上記雑音計（13）及び反射計
（14）からのデータをとり込み所定の演算処理を行なう
プロセツサである。

オートチユーナ（６）は、スタブ位置をプロセツサ
（17）で自動操作することができ、プロセツサ（17）が
スタブの設定位置を複数設定しその設定位置を記憶して
おくことにより、複数のスタブ位置を再現性良く設定す
ることができるものである。最初のDUTに対して所定数
のスタブ位置を設定すると、次のDUTに対してはスタブ
位置の設定作業が省略できる。

DUT（８）は伝送線路で構成されたテストフイクスチ
ユア部の中心にセツトされているので、反射係数やＳパ
ラメータを求めるために、該テストフイクスチユア部を
補正する必要がある。この補正には伝送線路の等価回路
モデルで計算した補正値を用いる。

以下本発明装置を使用してマイクロ波半導体素子の雑
音パラメータ及び利得パラメータを導出する手順につい
て説明する。

先ず測定の前処理として、プロセツサ（17）は第
３、第４スイツチ手段（４）（５）を制御して雑音源
（１）からの雑音出力を伝送路（18）を介してミキサ
（11）に付与し、図中のを基準にとり雑音計（13）の
キヤリブレーシヨンをする。なお、雑音計（13）は測定
系に固有のアイソレーシヨン等の減衰をゼロ較正してい
る。又、反射計（14）についても、その第１、第２ポー
ト（15）（16）ともに、ネツトワークアナライザ（図示
省略）を用いてを基準面にとってキヤリブレーシヨン
してある。

次に、DUT（８）を測定系の所定位置にセツトする
と共に、このDUTに対してバイアス用電源（９）からバ
イアスを付与する。そしてプロセツサ（17）は、第１、
第３、第４スイツチ手段（２）（４）（５）を図示実線
状態にセツトすると共に第２スイツチ手段（３）を図示
破線状態にセツトして、雑音源（１）、第３スイツチ手
段（４）、アイソレータ（７）、オートチユーナ
（６）、第１スイツチ手段（２）、DUT（８）、第２ス
イツチ手段（３）、反射計（14）を縦続接続してなる第
３測定系を構成する。このときオートチユーナ（６）は
プロセツサ（17）によって任意位置にセツトされてお
り、DUT（８）の出力側の特性インピーダンスは50Ωに
されている。この第３測定系によって、DUT（８）のＳ
パラメータのS₂₂が反射計（14）で計測される。このS₂₂
の測定値はオートチユーナ（６）のスタブの位置に拘ら
ず一定値を示し、各々スタブ位置に対するものとして上
記テストフイクスチユア部の補正をしてプロセツサ（1
7）のメモリ部に記録する。

次に、プロセツサ（17）は第１スイツチ手段（２）
を制御して該第１スイツチ手段（２）を破線状態にセツ
トして、雑音源（１）、第３スイツチ手段（４）、アイ
ソレータ（７）、オートチユーナ（６）、第１スイツチ
手段（２）、反射計（14）を縦続接続してなる第２測定
系を構成する。プロセツサ（17）はオートチユーナ
（６）を第１設定位置P₁に設定しそのときの入力信号源
反射係数「s₁を反射計（14）から読み、メモリ部に設定
位置と、対応する反射係数を記録する。

次にプロセツサ（17）は第１、第２、第３、第４ス
イツチ手段（２）（３）（４）（５）を図示実線状態に
セツトして、雑音源（１）、第３スイツチ手段（４）、
アイソレータ（７）、オートチユーナ（６）、第１スイ
ツチ手段（２）、DUT（８）、第２スイツチ手段
（３）、アイソレータ（10）、第４スイツチ手段
（５）、ミキサ（11）、雑音計（13）を縦続接続してな
る第１測定系を構成する。そして、この第１測定系を使
って、オートチユーナ（６）の設定位置が第１設定位置
P₁であるときの、雑音指数NF₁と利得G₁を雑音計（13）
で測定し、これらをプロセツタ（17）のメモリ部に、オ
ートチユーナ（６）の設定位置に対応ずけて記録する。

次に、上記、と同じことをオートチユーナ
（６）の設定位置を、第２設定位置から第９設定位置P₂
〜P₉まで変えて、各設定位置について入力信号源反射係
数「s₂〜「s₉と、雑音指数NF₂〜NF₉と、利得G₂〜G₉を測
定しかつプロセツサ（17）のメモリ部に記録する（サフ
イツクス１〜９は、オートチユーナの設定位置を示して
いる）。

実測されたＳパラメータ（|S₂₂|＝0.559）に基づ
き、DUT（８）はそれが整合された場合には1/（１−|S
₂₂|²）の利得（この整合を採らない測定系では損失分と
なるのでこの利得をＬと表現する）が得られることが推
定されるので、このデータ（第３データ）と、上述の如
く実測された雑音指数NFと利得Ｇに関するデータ（第１
データ）に基づき、プロセツタ（17）は、雑音指数と利
得の真値（それぞれNF′,G′）を、上記，式の演算を実行することにより求めること
ができる。第１表はオートチユーナの第１〜第９設定位
置における入力信号源反射係数「s₁〜「s₉（第２デー
タ）と、実測された雑音指数と利得に関するデータ（第
１データ）と、上述の如く計算される雑音指数と利得の
真値の一例を示すものである。

プロセツサ（17）は、上記第１データの真値（上述の
如く第１、第３データに基づき演算される）と上記第２
データ「ｓに基づき、次の演算式に従って、NFmin,rn,「opt,Gamax,「gaoptを変数とする
９組の連立方程式をたてて、この連立方程式を最小二乗
法を用いて演算することにより、雑音パラメータとして
の最小雑音指数NFmin、等価雑音抵抗rn、最適入力信号
源反射係数「opt及び利得パラメータとしての最大有能
利得Gamax、Gamax時入力信号源反射係数「ga opt、NFmi
n時付随利得Gaが導出される。尚、NFmin時付随利得Ga
は、上記式において「ｓ＝「optとおいて計算される
Ｇ′である。

第２表は、第１表に示すデータに基づき計算されたマ
イクロ波半導体素子の雑音パラメータと利得パラメータ
の例を示している。

第２図は、上記第２表に示す雑音パラメータをもとに
スミス図表上に定雑音指数円（実線）と定利得円（破
線）を作図してなるものである。定雑音指数円の中心点
が「optを、その時の雑音指数がNFmin（1.25dB）をあら
わす。他の円は半径の小さい順にそれぞれ雑音指数が1.
5,2,3,4dBの定雑音指数円である。同様に、定利得円の
中心点が「gaoptを、その時の利得がGamaxをあらわす。
他の円は半径の小さい順にそれぞれ利得が11,10,9,8dB
の定利得円である。

尚、他のDUTの雑音パラメータと利得パラメータを測
定するにはそのDUTを、装着中のDUTに変えてテストフイ
クスチユア部に装備して、上記，の手順だけで、自
動的に所望のパラメータを導出することができる。即
ち、〜の手順を省略することができる。

（ト）発明の効果以上のように、本発明のマイクロ波半導体素子の特性
測定方法によると、被測定物となるマイクロ波半導体素
子の入力信号源反射係数として少くとも４点設定し、こ
れらの入力信号源反射係数の各設定値に対し、雑音指
数、または利得を計測することにより、前記入力信号源
反射係数と計測された各雑音指数、または、利得とから
雑音パラメータまたは利得パラメータを得ることができ
る。この方法を採る本発明装置は、DUTの出力側にチユ
ーナを備えなくても良いようにしているので、このチユ
ーナの調節作業が省略することができる測定の効率化を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明装置の概略構成図である。第２図はスミ
ス図表上に示すDUTの特性図である。第３図は従来の測
定装置の構成図である。（１）……雑音源、（６）……チユーナ、（８）……被
測定用デバイス（DUT、マイクロ波半導体素子）、（1
4）……反射計、（13）……雑音計、（２）（３）
（４）（５）……第１、第２、第３、第４スイツチ手
段、（17）……プロセツサ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波雑音を発生する雑音源と、該雑
音源からのマイクロ波雑音を入力するチユーナと、マイ
クロ波半導体素子等の被測定用デバイスと、反射計と、
雑音指数及び利得を測定する雑音計と、前記チユーナか
らの出力雑音を前記被測定用デバイス又は前記反射計に
選択的に付与する第１スイツチ手段と、前記被測定用デ
バイスを前記反射計又は前記雑音計に選択的に接続する
第２スイツチ手段と、前記チユーナ及び前記第１、第２
スイツチ手段に制御信号を供給すると共に、前記反射計
及び前記雑音計から出力されるデータを記憶し、このデ
ータに基づき上記マイクロ波半導体素子の雑音パラメー
タ及び又は利得パラメータを演算するプロセツサとを備
えてなるマイクロ波半導体素子の特性測定装置。
【請求項２】前記雑音源と前記チユーナとの間に設備さ
れている第３スイツチ手段と、前記被測定用デバイスと
前記雑音計との間に設備されている第４スイツチ手段
と、前記第３、第４スイツチ手段を接続する伝送路とを
備え、前記プロセツサは前記第３、第４スイツチ手段を
制御して前記雑音源を前記雑音計に接続する制御信号を
呈するように構成されていることを特徴とする請求項１
記載のマイクロ波半導体素子の特性測定装置。
【請求項３】雑音源と、チユーナと、マイクロ波半導体
素子等の被測定用デバイスと、該素子の雑音指数と利得
を測定する雑音計とを縦続してなる第１測定系を用い
て、前記チユーナの少なくとも４つの異なる設定位置で
の前記素子の雑音指数と利得に関するデータ（第１デー
タ）を計測し、前記雑音源と、前記チユーナと、反射計
とを縦続接続してなる第２測定系を用いて、前記チユー
ナの前記各設定位置での入力信号源反射係数に関するデ
ータ（第２データ）を計測し、前記被測定用デバイスを
前記反射計に接続してなる第３測定系を用いて、該被測
定用デバイスの出力側がチユーナで整合されていないこ
とに基づく損失分に関するデータ（第３データ）を計測
し、上記第１、第２、第３データを演算して、上記マイ
クロ波半導体素子の雑音パラメータ及び又は利得パラメ
ータを導出することを特徴とするマイクロ波半導体素子
の特性測定方法。