微波功率FET大信號負載牽引測試技術研究

張超（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050051）

微波功率FET大信號負載牽引測試技術研究

張超
（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050051）

本文介紹大信號負載牽引測試簡況、負載牽引測試的目的和意義，并重點提出以調配器為核心組建負載牽引自動測試系統的技術方案，較好地解決了微波功率FET的大信號測試問題。

功率FET；大信號；負載牽引；調配器；測試系統

0 引言

近十年來,砷化鎵技術發展迅速，砷化鎵微波功率場效應晶體管是最重要的砷化鎵器件。

功率器件的發展，對測試技術也提出更高的要求。以往測試是利用矢量網絡分析儀測出功率FET的小信號參數的直流伏安特性，再推算出大信號S參數。這種方法是利用現有儀器設備，比較省錢，但測試及推算不但麻煩、工作量較大，而且誤差也比較大。據調查了解，用此法所獲得參數設計的放大器等微波部件，調試工作量往往都比較大。很多器件廠家都只給出了小信號S參數。微波功率放大器等部件的設計師們都希望能直接獲得大信號下的功率微波參數，如管子的輸人、輸出阻抗、功率增益等，即通過大信號下功率的負載牽引測試，以獲得管子的大信號微波參數。這正是我們的主要研究內容。

本文所述基于負載牽引測試的微波功率FET分析與測試方法是將被測件（DUT）放置在其真實的工作條件下進行，對其輸入/輸出阻抗、功率增益等大信號下的微波參數直接進行測試獲取及分析從而解決微波功率FET的大信號測試問題。

圖1 微波負載牽引測試系統

1 系統組成及測試流程

1.1 系統組成

以微波功率FET大信號功率參數的典型測試為例所組建負載牽引測試系統的框圖如下圖1所示。

硬件平臺包含合成信號發生器、微波功率放大器、隔離器、定向耦合器、輸入功率計、反射功率計、偏置T、輸入調配器、測試夾具、輸出調配器、偏置T、衰減器（定向耦合器）、輸出功率計及連接電纜等。其中，合成信號發生器為微波功率FET提供微波激勵信號；微波功率放大器為微波功率FET提供滿足推動功率要求的微波激勵離器保護合成信號發生器和微波功率放大器避免被大反射信號燒毀或出現頻率牽引現象；定向耦合器分離輸入參考信號及反射信號并測量出其功率；輸入功率計測量出源提供的激勵信號功率；反射功率計測量出反射信號功率；偏置T為微波功率FET提供偏置電壓/電流；輸入調配器調配微波功率FET的輸入端阻抗；測試夾具提供微波功率FET到同軸端面的連接；輸出調配器調配微波功率FET的輸出端阻抗；衰減器提供微波功率FET輸出信號的衰減；輸出功率計測量出傳遞至負載的輸出功率。

軟件平臺包含設備驅動、系統搭建、序列生成、系統校準、自動測量、后級處理和操作平臺等模塊化組成部分。其中，設備驅動實現對底層設備進行驅動控制與管理，以備系統校準、自動測量等模塊調用的功能；系統搭建實現根據實際的測試任務要求增加/刪減儀器以組建適合用戶需要的測試系統的功能；序列生成實現依據當前系統搭建信息編輯出滿足測試任務需求的測試序列的功能；系統校準實現針對不同的測試序列及其系統搭建信息對相關測量儀器執行自動校準的功能；自動測量實現針對不同的測試序列執行單次連接多次測試（SCMM）的自動測量的功能；后級處理實現進行后級數據處理、分析與報表打印、輸出的功能；操作平臺實現提供方便的用戶操作交互并完成對系統搭建、序列生成、系統校準、自動測量、后級處理等模塊調用的功能。

1.2 測試流程

負載牽引法是一種利用自動調配器來調節源和負載阻抗的測量技術。其原理是在給定輸入功率的情況下，通過改變源或者負載阻抗，測量輸入、輸出功率以及功率附加效率等參數，同時紀錄對應的源或者負載阻抗的數值。經過數據處理來獲得最大輸出功率或者最高功率附加效率狀態下所需的最佳源和負載阻抗，從而得到輸入輸出匹配網絡的最佳設計方案。測試流程框圖如圖2所示。

圖2 微波功率FET大信號參數的典型負載牽引測試流程圖

第一步，進行輸入端（源）阻抗調配。按照測試給定條件的要求設置激勵信號的頻率、輸出功率以及所要進行調配的范圍、精度要求等，控制輸入端（源）調配器進行阻抗變換，觀測輸入端和輸出端功率計找到不同輸入（源）阻抗狀態下兩者讀數直至最終找到輸入端共軛匹配狀態（達到增益極值），該過程中所記錄的數值經過處理后可在史密斯圓圖上顯示繪制微波功率FET的功率、增益的源牽引過程、等功率/增益曲線及最佳輸入（源）匹配阻抗或其輸入阻抗點。

第二步，進行輸出端（負載）阻抗調配。固定源端狀態不變，控制輸出端（負載）調配器進行阻抗變換，觀測輸入端和輸出端功率計找到不同輸出（負載）阻抗狀態下兩者讀數直至最終找到輸出端共軛匹配狀態（達到增益極值），該過程中所記錄的數值經過處理后可在史密斯圓圖上顯示繪制微波功率FET的功率、增益的負載牽引過程、等功率/增益曲線及最佳輸出（負載）匹配阻抗或其輸出阻抗點。

第三步，由于在進行輸出端（負載）阻抗牽引時微波功率FET的輸入端可能會受到影響而發生一定變化，需進行第一步操作再次完成輸入端（源）阻抗調配。

2 校準算法研究

上述系統軟件平臺可對系統內各測試儀器設備進行自動程控設置，具有通用性、可擴展性的開放式系統架構，這里重點介紹系統測試應用中所涉及的校準軟件算法研究。

2.1 調配器校準算法

調配器（Tuner）是測試系統的關鍵部分，阻抗調節主要是由滑塊上下左右的調節來實現。調配器由平板同軸線、精密定位探頭、高精度步進電機及計算機接口等組成，其定位精度優于微米級，可以產生重復性很好的復數微波反射系數，其中最簡單的無源基波調配器如圖3所示。

圖3 無源基波調配器

調配器是以并聯導納在平板同軸線上進行二維（水平、垂直方向）精密可控的微小位移運動實現阻抗變換。為實現精確測試在實際應用中采取的是使用矢量網絡分析儀對最小移動步距為單位的連續位置分別進行測試，對于調配器工作頻率所對應的二分之一波長尺度而言綜合每一個位置坐標對應的S參數數據量非常龐大，不僅給數據的采集、儲存、處理、分析等帶來困難，而且也不利于測試效率的提高，必須采用數值分析中的內插算法進行簡化。經過對反射系數與位置坐標之間的函數關系研究分析，導納滑塊的水平方向位置坐標影響著等反射系數的相位線性變化量而垂直方向位置坐標影響著反射系數的幅度變化量，因此不能采用簡單的線性插值。經過對比分析，調配器的校準所采用的二維三點二元拉格朗日多項式內插算法可以將原本需要進行的上百萬甚至上億個點的數據點的測試簡化為均勻分布的數千個數據點測試，大大提高測試的速度和效率，同時精度也能控制在較高的水平，實現了“有限點校準、連續點測量”的測試校準要求，表達式如下所示。

z即x或y，分別表示水平和垂直方向的位置坐標。

以此最臨近任意位置點的9個校準點進行運算就可以得到該內插點的四個S參數及反射參數（阻抗）。反之根據相應的函數關系經過數據變換同樣也可以得到任意反射參數（阻抗）所對應點的位置坐標。經過測試驗證插值與實際測試的結果吻合的較好，重復性達到-50dB左右，可滿足實際測試要求。對于任意點其四個S參數的插值和其實際測試值都可以通過下式進行計算以求解吻合程度。

2.2 校準面延伸算法

由于負載牽引測試中連接設備、電纜、轉接器等很多，為保證測試的精度必須將系統各組成單元單獨經過校準后級聯起來通過校準端面延伸算法將校準參考面延伸至微波功率FET的連接端面以保證測試的高精度。下面以兩個雙端口網絡的級聯為例給出說明，信號流圖如圖4所示。

由信號流圖可以得到式子（3）

圖4 兩級雙端口網絡信號流圖

根據級聯原理就可以得到級聯組合的二端口網絡的四個散射矩陣參數，也就將兩個經過校準的雙端口網絡精確的S參數轉化為級聯后的組合雙端口網絡A的精確S參數：

同理可依次類推得到N個二端口網絡級聯后的等效組合雙端口網絡的精確S參數。該過程也可以通過與傳輸T矩陣之間的轉換關系，以T矩陣的連乘形式簡化運算得到。

3 結論

綜合上述大信號負載牽引測試的原理、構成及對封裝的被測件（DUT）的驗證測試可以得到其主要特點如下：①可以測量給定條件下的被測件（DUT）大信號輸出阻抗；②可以測量大信號下的正向增益和輸出功率；③可以測量不同輸入功率電平對應最大功率輸出的負載阻抗；④可以進行器件的非線性測量；⑤可以測量負載敏感度；⑥可以在希望的大信號工作點上測量器件。從其與小信號S參數的測試對比來看，大信號負載牽引測試是解決微波功率FET的大信號參數測試的最佳途徑。目前需要進一步研究和完善的是同軸到非同軸（微帶）的去嵌入算法應用以便將精確測試端面延伸至微波功率FET的管腳。

[1]廖承恩.微波技術基礎，西安電子科技大學出版社，1994．

[2]熊時澤.功率FET大信號負載牽引測試系統研制．宇航計測技術，第15卷，第5期，p1-12，1995年10月.

[3]王家禮.微波電路CAA與CAD．西安電子科技大學出版社，2003.

（第12頁）

圖2 軟件計劃過程活動

3.2過程之間的轉段、關系及順序

標準要求研制活動中各個過程在上一過程輸出達到一定的條件基礎上按要求開展后續過程的活動，過程間的先后順序可以根據項目的具體情況靈活定義，過程可以重復進入和退出。

3.3 軟件生命周期環境

“定義軟件生命周期環境”通過在軟件計劃文件中描述軟件需求、開發、驗證和配置管理各個過程中所使用的生命周期環境來實現。軟件生命周期環境包括使用的編制需求工具、開發所使用的系統、編程語言、編譯、測試和驗證的平臺、測試的目標機環境、配置管理的系統等。

圖3 軟件生命周期環境

3.4 明確其它考慮因素

其它因素的考慮包括對先前開發軟件的使用、替代方法、工具鑒定、形式化、模型開發及面向對象等方法和技術的附加考慮。該部分的須參照標準第12章在軟件計劃中進行說明。

3.5 軟件開發標準

軟件開發標準包括SRS、SDS及SCS。定義開發標準的目的是為軟件開發過程制定規則和約束。如果采用基于模型、形式化及面向對象技術，則應確保新技術中的危險特征被屏蔽。

3.6 軟件計劃滿足DO-178B/C的要求

計劃的內容須實現標準要求過程和活動的全覆蓋，可通過內部評審及檢查單的形式來說明。

3.7 軟件計劃的修正考慮

隨著項目的開展，原有的計劃隨著項目情況的變化需要修正。軟件計劃的修訂控制須滿足標準第7章的要求。

4 結束語

隨著我國航空工業的發展，DO-178B/C標準將會得到越來越多的關注，機載軟件研制單位在承擔軟件研制任務時，為提高軟件的安全性及可靠性，用戶可能要求其通過基于DO-178B/C的符合性審查。這就需要將現有軍用標準體系（如GJB5000A）和DO-178B/C結合起來進行實施。因此DO-178B/C標準與現有軍用標準體系進行融合將是重要的研究方向。

參考文獻

[1]DO-178B/ED-12B，Software considerations in Airborne systems and equipment certification[S],RTCA、EUROCAE，1992.

[2]DO-178C, Software Considerations in Airborne Systems Equipment Certification[S] Washington, RTCA, 2012.

[3]鄭軍，機載軟件適航認證標準的進展及展望[J]，計算機工程與設計，2012,33（1）；204-208.

Technology of test system of power FET large signal load pulling

Zhang Chao
（The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang Hebei，050051）

The large signal pulling test is of great importace to the research of the microwave power transistor. In this paper, the test system of power FET large signal load pulling can solve the test of large signal microwave power FET

Power FET; Large signal; Load pulling; Tuner; test system

張超（1983-），男，河北邢臺人，工程師，研究方向為微波集成電路研究與設計。