一種精確表徵功率電晶體匹配特性的方法
2023-05-25 09:50:16 1
一種精確表徵功率電晶體匹配特性的方法
【專利摘要】本發明公開了一種精確表徵功率電晶體匹配特性的方法，特徵是通過控制測試儀器內部兩個信號源的相對相位，實現被測功率電晶體輸入/輸出阻抗值的變化，從而測量出被測件在不同阻抗條件下的增益、輸出功率等主要性能指標；測試結果間接給出了電晶體封裝為放大器時匹配電路的主要參數和在最佳匹配狀態下電晶體能夠達到的主要性能參數。本發明具有覆蓋頻率範圍寬，測試速度快，並可實現被測件輸入輸出阻抗在整個阻抗圓圖內變化的特點；還可用於輸入輸出阻抗為非50歐姆電晶體的參數測量。
【專利說明】一種精確表徵功率電晶體匹配特性的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種表徵功率電晶體匹配特性的方法。
【背景技術】
[0002]現代射頻和微波通信系統中，處於射頻和微波發射機的功率放大器特性的精確表徵至關重要。從傳統的矽雙極電晶體到砷化鎵功率電晶體、LDMOS功率電晶體，乃至最新的大功率碳化矽和氮化稼功率電晶體，放大器設計人員為了從電晶體中獲取越來越大的功率電平，就需要精確表徵其在工作狀態下的特性參數。通常，在功率器件設計測試中需要得到功率電晶體的準確模型以便設計仿真、明確功率電晶體的最佳源阻抗和負載阻抗、提高功率電晶體的穩定性等等。只有對功率電晶體的各項參數性能有比較深入的了解後，再進行輸入級和輸出級匹配電路的設計，然後分別展開測試，根據測試結果再對電路進行設計仿真和優化，以達到最佳匹配實現最大功率輸出的目的。
[0003]隨著半導體技術的迅速發展，微波電晶體放大器在提高工作頻率和增大輸出功率等方面都取得了很大的進展。但隨著電晶體工作頻率和輸出功率的提高，其輸入/輸出阻抗實部會非常低，並具有相當的電抗。在實際應用中，這些低阻抗需要與系統特性阻抗(一般為50 Ω)相匹配，並有足夠的帶寬。因此，在源和負載之間需要設計和製作一個寬帶、高變比的無源網絡，使電晶體的實部得以提高，虛部儘量減小，這樣既可減小輸入端的反射功率，又能提高器件的輸出功率，這樣不僅提高了功率增益和集電極效率，也增加了功率管在這個頻帶內的穩定性，充分發揮微波功率電晶體的性能，這種無源網絡被稱為微波匹配電路。
[0004]在設計微波功率放大器時，為了向負載傳輸最大的功率，必須使負載與源阻抗相匹配。實現上述匹配的通常做法是在源阻抗和負載之間插入一個無源網絡(匹配網絡)。圖1描述了一種典型的應用情況，為了向50Ω的負載傳輸最大功率,電晶體的輸入/輸出端阻抗分別為Zs和Zp輸入匹配網絡的設計是將信號源阻抗Z1 (50 Ω)變換到電晶體的源阻抗Zs，輸出匹配網絡的設計是將電晶體的負載阻抗&變換到終端負載Z2 (50 Ω)。
[0005]傳統的負載牽引法是在測試儀器與被測件之間插入阻抗可改變的阻抗調配器，通過控制阻抗調配器的阻抗大小，測量功率電晶體的增益、輸出功率等主要性能參數。從某種程度上來說，負載牽引法的測試結果，間接給出了功率電晶體要封裝為放大器的匹配電路的主要參數和在最佳匹配狀態下功率電晶體能夠達到的主要性能參數。
[0006]如圖2所示，傳統的負載牽引法在對功率電晶體進行測試時的核心是兩個阻抗可調控的阻抗調配器，在測量過程中，將兩個阻抗調配器插入被測件與測試埠之間。被測件的輸入埠與阻抗調配器一的一端相連，阻抗調配器一的另一端與測試儀器的埠一連接；被測件的輸出埠與阻抗調配器二的一端相連，阻抗調配器=的另一端與測試儀器的埠二連接。當進行功率放大器輸出阻抗測量時，測試儀器分別指定阻抗調配器二的導納滑塊在水平和垂直方向上移動的起止位置和移動的步長，然後控制導納滑塊按照設定好的步長從測試起始位置移動至測試終止位置，同時記錄每一個測試點的輸出功率的大小，通過對所有數據的處理分析找到被測件的最佳輸出功率值，記錄阻抗調配器二的調配位置並通過查詢校準表得出阻抗，求其共軛即為被測件的輸出阻抗；同時，還可以改變阻抗調配器一的位置，測試出被測件在不同輸入阻抗下的輸出阻抗狀態。
[0007]上述負載牽引法中使用的阻抗調配器在對功率電晶體測試前需要進行校準和定標，阻抗調配器的校準數據是通過矢量網絡分析儀進行標定的，通過校準，可以得到每個位置點的S參數。在對阻抗調配器定標後組建的系統中，通過一定的算法就可以得到在不同調配狀態下被測電晶體的輸入/輸出參數特性。該方法測試成本比較高，由於採用了機械式阻抗調配器，測試時間較長；在測量過程中需要針對不同頻段更換相應頻段的阻抗調配器；由於尺寸的原因，對於較低頻率的被測件，通常很難有合適的阻抗調配器；而且測試過程很慢，理論上來講不能在整個阻抗圓圖平面內進行阻抗調配。
【發明內容】
[0008]本發明的任務在於解決現有技術中表徵功率電晶體匹配特性方法存在的技術缺陷，提供一種快速精確表徵功率電晶體匹配特性的方法。
[0009]其技術解決方案是:
[0010]一種精確表徵功率電晶體匹配特性的方法，通過控制測試儀器內部兩個信號源的相對相位，將測試儀器內置的兩個信號源，一個作為參考源，另一個作為被控源；在對被測電晶體進行測試時，參考源輸出的Al信號是驅動被測功率電晶體工作的大信號，被控源輸出的A2小信號作為反向入射波加到被測功率電晶體的輸出埠 ；在一個固定頻率點時，保持A2信號的幅度不變，對它的相位進行旋轉，被測功率電晶體正向輸出波B2的響應也會隨著變化，這樣就相當於給被測功率電晶體輸出埠提供了穩定可控的阻抗值；通過控制被測功率電晶體輸入輸出阻抗值的變化，測量出被測功率電晶體在不同阻抗條件下的包括增M、輸出功率在內的王要性能指標。
[0011]上述精確表徵功率電晶體匹配特性的方法，採用矢量調製器實現測試儀器兩個信號源之間的相位控制，根據矢量調製器工作頻率選擇低、中、高三個頻率點，設置調製輸出信號為雙邊帶調製信號，利用頻譜儀監測射頻輸出功率以及載波洩露信號的功率，在保證射頻輸出功率和載波洩漏的前提下，儘量降低基帶驅動電平；具體包括:
[0012]載波抑制校準步驟，在多個頻率點上，通過軟體設計兩個校準參數，分別為I載波抑制校準參數和Q載波抑制校準參數，然後設置通道的ALC工作在開環狀態，用頻譜儀或矢網檢測通道的射頻輸出功率，分別調整I和Q載波抑制校準參數，使得通道的射頻輸出功率變小；
[0013]正交支路幅度不平衡補償步驟，在補償時，根據矢量調製器調製線性的要求設置合適的IQ信號的最大驅動電壓值，在最大驅動電壓值的基礎上分別設置IQ正負電壓的最大值，在0°、90°、270°、360°四個點設置四個校準參數，調整這4個校準參數值，在ALC開環情況下用矢網測量通道的輸出增益，調整設置的四個參數使對應的四種相位狀態下的輸出功率相等；正交相位誤差修正步驟，採用矢量信號合成原理對正交相位誤差進行修正，理想正交分量為1、Q，實際分量為IrQo，合成矢量為E ;由於存在正交相位誤差，實際上I和Q的夾角Θ不是90°，I和Q分別被修正為Itl和Qtl,保證實際合成矢量E和理想情況下是相等的；[0014]通過計算分析，得到實際分量和理想分量之間的修正公式如下:
[0015]
【權利要求】
1.一種精確表徵功率電晶體匹配特性的方法，其特徵在於通過控制測試儀器內部兩個信號源的相對相位，將測試儀器內置的兩個信號源，一個作為參考源，另一個作為被控源；在對被測電晶體進行測試時，參考源輸出的Al信號是驅動被測功率電晶體工作的大信號，被控源輸出的A2小信號作為反向入射波加到被測功率電晶體的輸出埠 ；在一個固定頻率點時，保持A2信號的幅度不變，對它的相位進行旋轉，被測功率電晶體正向輸出波B2的響應也會隨著變化，這樣就相當於給被測功率電晶體輸出埠提供了穩定可控的阻抗值；實現被測電晶體輸入/輸出端阻抗在整個阻抗圓圖內的連續變化，從而得出功率電晶體的最佳匹配狀態，測量出被測功率電晶體在不同阻抗條件下的包括增益、輸出功率在內的主要性能指標；同時還採用多階環路來提高整個頻帶的帶寬，提高整個輸出頻段的功率平坦度。
2.根據權利要求1所述的精確表徵功率電晶體匹配特性的方法，其特徵在於採用矢量調製器實現測試儀器兩個信號源之間的相位控制，根據矢量調製器工作頻率選擇低、中、高三個頻率點，設置調製輸出信號為雙邊帶調製信號，利用頻譜儀監測射頻輸出功率以及載波洩露信號的功率，在保證射頻輸出功率和載波洩漏的前提下，儘量降低基帶驅動電平；具體包括: 載波抑制校準步驟，在多個頻率點上，通過軟體設計兩個校準參數，分別為I載波抑制校準參數和Q載波抑制校準參數，然後設置通道的ALC工作在開環狀態，用頻譜儀或矢網檢測通道的射頻輸出功率，分別調整I和Q載波抑制校準參數，使得通道的射頻輸出功率變小; 正交支路幅度不平衡補償步驟，在補償時，根據矢量調製器調製線性的要求設置合適的IQ信號的最大驅動電壓值，在最大驅動電壓值的基礎上分別設置IQ正負電壓的最大值，在0°、90°、270°、360°四個點設置四個校準參數，調整這4個校準參數值，在ALC開環情況下用矢網測量通道的輸出增益，調整設置的四個參數使對應的四種相位狀態下的輸出功率相等；正交相位誤差修正步驟，採用矢量信號合成原理對正交相位誤差進行修正，理想正交分量為1、Q，實際分量為IrQo，合成矢量為E ;由於存在正交相位誤差，實際上I和Q的夾角Θ不是90°，I和Q分別被修正為Itl和Qtl,保證實際合成矢量E和理想情況下是相等的； 通過計算分析，得到實際分量和理想分量之間的修正公式如下:
3.根據權利要求1或2所述的精確表徵功率電晶體匹配特性的方法，其特徵在於:對於非50歐姆的功率電晶體，通過軟體設計和校準，保證加到功率電晶體上的信號幅度和相位是精確可控的同時使用一臺測試儀器和相應的校準件和校準方法，即可完成其特性參數的測試。
【文檔編號】G01R31/26GK103576071SQ201310598689
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】馬景芳, 王尊峰, 李樹彪, 張慶龍 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所