一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法技术

本发明专利技术公开了一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法，特征是通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位，实现被测功率晶体管输入/输出阻抗值的变化，从而测量出被测件在不同阻抗条件下的增益、输出功率等主要性能指标；测试结果间接给出了晶体管封装为放大器时匹配电路的主要参数和在最佳匹配状态下晶体管能够达到的主要性能参数。本发明专利技术具有覆盖频率范围宽，测试速度快，并可实现被测件输入输出阻抗在整个阻抗圆图内变化的特点；还可用于输入输出阻抗为非50欧姆晶体管的参数测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种表征功率晶体管匹配特性的方法。
技术介绍
现代射频和微波通信系统中，处于射频和微波发射机的功率放大器特性的精确表征至关重要。从传统的硅双极晶体管到砷化镓功率晶体管、LDMOS功率晶体管，乃至最新的大功率碳化硅和氮化稼功率晶体管，放大器设计人员为了从晶体管中获取越来越大的功率电平，就需要精确表征其在工作状态下的特性参数。通常，在功率器件设计测试中需要得到功率晶体管的准确模型以便设计仿真、明确功率晶体管的最佳源阻抗和负载阻抗、提高功率晶体管的稳定性等等。只有对功率晶体管的各项参数性能有比较深入的了解后，再进行输入级和输出级匹配电路的设计，然后分别展开测试，根据测试结果再对电路进行设计仿真和优化，以达到最佳匹配实现最大功率输出的目的。随着半导体技术的迅速发展，微波晶体管放大器在提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了很大的进展。但随着晶体管工作频率和输出功率的提高，其输入/输出阻抗实部会非常低，并具有相当的电抗。在实际应用中，这些低阻抗需要与系统特性阻抗(一般为50 Ω)相匹配，并有足够的带宽。因此，在源和负载之间需要设计和制作一个宽带、高变比的无源网络，使晶体管的实部得以提高，虚部尽量减小，这样既可减小输入端的反射功率，又能提高器件的输出功率，这样不仅提高了功率增益和集电极效率，也增加了功率管在这个频带内的稳定性，充分发挥微波功率晶体管的性能，这种无源网络被称为微波匹配电路。在设计微波功率放大器时，为了向负载传输最大的功率，必须使负载与源阻抗相匹配。实现上述匹配的通常做法是在源阻抗和负载之间插入一个无源网络(匹配网络)。图1描述了一种典型的应用情况，为了向50Ω的负载传输最大功率,晶体管的输入/输出端阻抗分别为Zs和Zp输入匹配网络的设计是将信号源阻抗Z1 (50 Ω)变换到晶体管的源阻抗Zs，输出匹配网络的设计是将晶体管的负载阻抗&变换到终端负载Z2 (50 Ω)。传统的负载牵引法是在测试仪器与被测件之间插入阻抗可改变的阻抗调配器，通过控制阻抗调配器的阻抗大小，测量功率晶体管的增益、输出功率等主要性能参数。从某种程度上来说，负载牵引法的测试结果，间接给出了功率晶体管要封装为放大器的匹配电路的主要参数和在最佳匹配状态下功率晶体管能够达到的主要性能参数。如图2所示，传统的负载牵引法在对功率晶体管进行测试时的核心是两个阻抗可调控的阻抗调配器，在测量过程中，将两个阻抗调配器插入被测件与测试端口之间。被测件的输入端口与阻抗调配器一的一端相连，阻抗调配器一的另一端与测试仪器的端口一连接；被测件的输出端口与阻抗调配器二的一端相连，阻抗调配器=的另一端与测试仪器的端口二连接。当进行功率放大器输出阻抗测量时，测试仪器分别指定阻抗调配器二的导纳滑块在水平和垂直方向上移动的起止位置和移动的步长，然后控制导纳滑块按照设定好的步长从测试起始位置移动至测试终止位置，同时记录每一个测试点的输出功率的大小，通过对所有数据的处理分析找到被测件的最佳输出功率值，记录阻抗调配器二的调配位置并通过查询校准表得出阻抗，求其共轭即为被测件的输出阻抗；同时，还可以改变阻抗调配器一的位置，测试出被测件在不同输入阻抗下的输出阻抗状态。上述负载牵引法中使用的阻抗调配器在对功率晶体管测试前需要进行校准和定标，阻抗调配器的校准数据是通过矢量网络分析仪进行标定的，通过校准，可以得到每个位置点的S参数。在对阻抗调配器定标后组建的系统中，通过一定的算法就可以得到在不同调配状态下被测晶体管的输入/输出参数特性。该方法测试成本比较高，由于采用了机械式阻抗调配器，测试时间较长；在测量过程中需要针对不同频段更换相应频段的阻抗调配器；由于尺寸的原因，对于较低频率的被测件，通常很难有合适的阻抗调配器；而且测试过程很慢，理论上来讲不能在整个阻抗圆图平面内进行阻抗调配。
技术实现思路
本专利技术的任务在于解决现有技术中表征功率晶体管匹配特性方法存在的技术缺陷，提供一种快速精确表征功率晶体管匹配特性的方法。其技术解决方案是:，通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位，将测试仪器内置的两个信号源，一个作为参考源，另一个作为被控源；在对被测晶体管进行测试时，参考源输出的Al信号是驱动被测功率晶体管工作的大信号，被控源输出的A2小信号作为反向入射波加到被测功率晶体管的输出端口 ；在一个固定频率点时，保持A2信号的幅度不变，对它的相位进行旋转，被测功率晶体管正向输出波B2的响应也会随着变化，这样就相当于给被测功率晶体管输出端口提供了稳定可控的阻抗值；通过控制被测功率晶体管输入输出阻抗值的变化，测量出被测功率晶体管在不同阻抗条件下的包括增M、输出功率在内的王要性能指标。上述精确表征功率晶体管匹配特性的方法，采用矢量调制器实现测试仪器两个信号源之间的相位控制，根据矢量调制器工作频率选择低、中、高三个频率点，设置调制输出信号为双边带调制信号，利用频谱仪监测射频输出功率以及载波泄露信号的功率，在保证射频输出功率和载波泄漏的前提下，尽量降低基带驱动电平；具体包括:载波抑制校准步骤，在多个频率点上，通过软件设计两个校准参数，分别为I载波抑制校准参数和Q载波抑制校准参数，然后设置通道的ALC工作在开环状态，用频谱仪或矢网检测通道的射频输出功率，分别调整I和Q载波抑制校准参数，使得通道的射频输出功率变小；正交支路幅度不平衡补偿步骤，在补偿时，根据矢量调制器调制线性的要求设置合适的IQ信号的最大驱动电压值，在最大驱动电压值的基础上分别设置IQ正负电压的最大值，在0°、90°、270°、360°四个点设置四个校准参数，调整这4个校准参数值，在ALC开环情况下用矢网测量通道的输出增益，调整设置的四个参数使对应的四种相位状态下的输出功率相等；正交相位误差修正步骤，采用矢量信号合成原理对正交相位误差进行修正，理想正交分量为1、Q，实际分量为IrQo，合成矢量为E ;由于存在正交相位误差，实际上I和Q的夹角Θ不是90°，I和Q分别被修正为Itl和Qtl,保证实际合成矢量E和理想情况下是相等的；通过计算分析，得到实际分量和理想分量之间的修正公式如下:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法，其特征在于通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位，将测试仪器内置的两个信号源，一个作为参考源，另一个作为被控源；在对被测晶体管进行测试时，参考源输出的A1信号是驱动被测功率晶体管工作的大信号，被控源输出的A2小信号作为反向入射波加到被测功率晶体管的输出端口；在一个固定频率点时，保持A2信号的幅度不变，对它的相位进行旋转，被测功率晶体管正向输出波B2的响应也会随着变化，这样就相当于给被测功率晶体管输出端口提供了稳定可控的阻抗值；实现被测晶体管输入/输出端阻抗在整个阻抗圆图内的连续变化，从而得出功率晶体管的最佳匹配状态，测量出被测功率晶体管在不同阻抗条件下的包括增益、输出功率在内的主要性能指标；同时还采用多阶环路来提高整个频带的带宽，提高整个输出频段的功率平坦度。

【技术特征摘要】
1.一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法，其特征在于通过控制测试仪器内部两个信号源的相对相位，将测试仪器内置的两个信号源，一个作为参考源，另一个作为被控源；在对被测晶体管进行测试时，参考源输出的Al信号是驱动被测功率晶体管工作的大信号，被控源输出的A2小信号作为反向入射波加到被测功率晶体管的输出端口 ；在一个固定频率点时，保持A2信号的幅度不变，对它的相位进行旋转，被测功率晶体管正向输出波B2的响应也会随着变化，这样就相当于给被测功率晶体管输出端口提供了稳定可控的阻抗值；实现被测晶体管输入/输出端阻抗在整个阻抗圆图内的连续变化，从而得出功率晶体管的最佳匹配状态，测量出被测功率晶体管在不同阻抗条件下的包括增益、输出功率在内的主要性能指标；同时还采用多阶环路来提高整个频带的带宽，提高整个输出频段的功率平坦度。2.根据权利要求1所述的精确表征功率晶体管匹配特性的方法，其特征在于采用矢量调制器实现测试仪器两个信号源之间的相位控制，根据矢量调制器工作频率选择低、中、高三个频率点，设置调制输出信号为双边带调制信号，利用频谱仪监测射频输出功率以及载波泄露信号的功率，在保证射频输出功率和载波泄漏的前提下，尽量降低基带驱动电平；具体包括: 载波抑制校准步骤，在多个频率点上，通过软件设计两...

【专利技术属性】
技术研发人员：马景芳，王尊峰，李树彪，张庆龙，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十一研究所，
类型：发明
国别省市：