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毫米波和亚太赫兹功率扫描及有源负载牵引测量

Steve Dudkiewicz, Maury Microwave, Ontario, Calif., Luca Galatro, Vertigo Technologies, Delft, The Netherlands, and Cliff Rowland, Virginia Diodes, Charlottesville, Va.

半导体技术的进步推动了毫米波和亚太赫兹频谱内新应用的出现和扩展。这些应用包括5G、6G和即将到来的无线通信演进、汽车和安防市场中的雷达、成像和传感、射电天文学、卫星通信、军事应用如电子战以及科学研究。一项特定的半导体技术最终能否在一个或多个应用中取得成功，部分取决于其在某些关键领域的性能，包括输出功率、增益和效率。设计人员可以通过对器件进行功率扫描和负载牵引测量来确定和优化这些性能参数。

负载牵引测量简介

图1：DUT的双端口网络表示法。

负载牵引是指改变被测设备（DUT，通常是晶体管）负载阻抗的技术。这样做是为了评估器件在不同大信号条件下的性能特征。在测量或计算输出功率、增益和效率等参数的同时，对阻抗进行系统调整。生成等高线以反映固定的性能值，如XdBm的输出功率或Y%的效率。这些等值线有助于直观显示最佳性能点，了解性能如何变化，以及评估不同参数之间的权衡。

要理解负载牵引技术，可将DUT视为双端口网络，如图1所示。反射系数Γ_L的计算公式如公式1所示：

负载牵引通过操纵反射信号a₂来改变DUT负载的反射幅度，这种操纵对反射信号的相位也有类似的影响。任何负载阻抗都可以用公式2所示的关系来表示。

只要能实现所需的a₂信号，就可以将此关系应用于DUT。

有两种常见的方法可以改变DUT的阻抗：无源负载牵引和有源负载牵引。无源负载牵引采用机械阻抗调谐器来改变a₂的幅度和相位，从而改变DUT负载端的阻抗。有源负载牵引不使用机械调谐器，而是人为地创建、控制a₂波并将其注入DUT的输出端口，以合成所需的Γ_L。在特定情况下的开环有源负载牵引，使用与a₁波相位一致的外部信号源，并控制幅度和相位来生成a₂。

毫米波和亚太赫兹频率下的开环有源负载牵引

典型毫米波和亚太赫兹有源负载牵引系统的框图如图2所示。系统利用矢量网络分析仪（VNA）中内置的第一个信号源产生RF信号。RF信号进入矢量调制器单元（VMU），在这里被分成RF1和RF2两个信号，这两个信号可以由VMU内置的IQ调制器在幅度和相位上进行独立调节。RF1信号进入DUT输入端的VNA扩频模块，RF2信号进入DUT输出端的VNA扩频模块。VNA扩频模块将RF信号倍频至毫米波或亚太赫兹频率。倍频后的RF1信号相当于图1所示的a₁波，被注入到DUT的输入端，以特定功率电平驱动DUT。倍频后的RF2信号相当于图1所示的a₂波，被注入到DUT的输出端。通过VNA扩频模块测量b₂波，可以反复调整注入的a₂波，以获得所需的负载条件。DUT的驱动功率取决于VNA扩频模块的输出功率，再减去模块和DUT之间的损耗。例如，探针造成的损耗。需要注意的是，RF1和RF2信号以及a₁和a₂波是相干的，因为它们是由VNA内的同一信号源产生的。此外，b₂波与a₁波和a₂波也是相干的。这使得a₂波可以相对于b₂波进行适当调整，以获得所需的Γ_L。

图2：毫米波和亚太赫兹有源负载牵引系统框图。

晶体管、系统阻抗、注入功率和调谐范围之间的关系式见公式3：

其中：Z_L是DUT的负载阻抗；Z_Sys是系统阻抗；Z_DUT是DUT的输出阻抗。

系数K的定义见公式4：

其中：P_a2是在DUT输出端参考平面注入到DUT的有源调谐功率；P_b2是DUT的输出功率；Z₀=50Ω

在DUT参考平面上可实现的净反射幅度可通过公式5计算得出：

根据公式5，可用输出功率P_a2越高，可实现的Γ_L或史密斯图覆盖率就越高。在毫米波和亚太赫兹有源负载牵引系统中，其功率大小由毫米波或亚太赫兹的VNA扩频模块决定。

VNA扩频模块

VNA扩频模块用于将VNA的测量能力扩展到更高的频段。这些模块通常包含使用矩形波导连接器进行信号传输的组件。这意味着每个系统只能在特定的矩形波导频段内工作。

图3：典型VNA扩频模块的功能框图。

典型VNA扩频模块的功能框图如图3所示。来自VNA的测试信号经过放大倍频链路，以N_RF的总倍增系数将频率提高到所需频段。然后，该信号通过一系列组件，再从测试端口传输出去。这些元件通常包括一个可变衰减器、一个隔离器，最重要的是一对定向耦合器。来自VNA的本振信号也会被放大并乘以N_LO，然后通过功分器到两个下变频混频器。位于"Ref"路径的参考混频器接收一小部分输出信号。该信号被转换为较低的频率，可由VNA中的接收机检测和分析。这条路径基本上确定了输出波的幅度和相位。第二个混频器对通过测试端口耦合回来的信号执行相同的功能，例如，从DUT输入端反射回扩频模块的信号。使用两个相同的模块，可以测量双端口DUT的所有四个S参数。

图4：三台VDI WR6.5扩频模块测试端口功率。

对于无源器件的测量，S参数与信号功率无关。这意味着只需要适度的信号功率。但是，对于有源负载牵引测量，则需要与被测件最大功率相称的功率电平，以使测量能够覆盖更大的史密斯图区域。

新开发的大功率VNA扩频模块配备了更大功率的倍频放大器。不过，还必须对其他系统组件进行修改，以确保其在更高功率下仍能发挥其功能和可靠性。此外，还必须对系统进行修改，以确保在预期操作条件的全范围内混频器不会饱和。还必须重新考虑模块设计的其他方面，包括热因素和模块尺寸。图4显示了WR6.5扩频模块测试端口功率水平的提高。

值得注意的是，本文中的测量数据使用的是标准版和HP2高功率版的VDI扩频模块。使用HP4扩频模块可以获得更高的饱和功率扫描和负载牵引等高线。

增益压缩和PAE功率扫描测量

在ETH Zurich毫米波电子小组，对一个四指InP HBT进行了增益压缩和功率增加效率(PAE)功率扫描测量。测量在140GHz频率下使用标准版和HP2高功率扩频模块进行。虽然标准扩频模块能够驱动DUT进入压缩状态，但其功率不足以使器件达到P1dB和最大PAE。切换到大功率模块后，发射功率增加了约2.5dB，超过了P1dB，从而确定了最大PAE。增益压缩功率扫描测量结果如图5所示，PAE功率扫描测量结果如图6所示。每条曲线都代表了在特定负载阻抗下的增益压缩功率扫描测量结果，使用的阻抗模式与本文下一节将介绍的相同。

图5：140GHz增益压缩功率扫描测量结果。

图6：140GHz PAE功率扫描测量结果。

有源负载牵引测量

在140GHz和170GHz下，使用标准版和HP2高功率扩频模块对相同的四指InP HBT进行有源负载牵引测量。不出所料，与标准版扩频模块相比，大功率扩频模块能够实现更高的反射系数Γ_L或史密斯图覆盖率。图7a显示了标准版扩频模块在140GHz频率下输出功率的负载牵引等高线，图7b显示了使用大功率扩频模块的输出功率等高线。图8a显示了在170GHz频率下使用标准版扩频模块的输出功率等高线。图8b显示了在170GHz频率下使用大功率扩频模块的输出功率等高线。

图7：(a)在140GHz频率下使用标准版扩频模块时输出功率的负载牵引等高线。(b)在140GHz频率下使用HP2高功率扩频模块的输出功率负载牵引等高线。

图8：(a)在170GHz频率下使用标准版扩频模块的输出功率负载牵引等高线。(b)在170GHz频率下使用HP2高功率扩频模块的输出功率负载牵引等高线。

结论

图9：带有表征软件的有源负载牵引系统。

有源负载牵引是一种用于在毫米波和亚太赫频率下表征半导体技术的优雅而实用的方法。驱动DUT进入压缩状态并进行有源调谐的最大功率往往受到VNA扩频模块输出功率的限制。然而，使用高阶组合技术的大功率模型可以对较大的器件进行完整的表征，并允许更高的反射幅度和更大的史密斯图覆盖范围，以进行高达1.1THz的负载牵引测量。图9显示了一个有源负载牵引系统，它可以进行本文讨论的所有测量和表征。该系统可通过相应的VNA扩频模块工作至1.1THz。