微波功率FET大信号负载牵引测试技术研究

张超（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄，050051）

微波功率FET大信号负载牵引测试技术研究

张超
（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄，050051）

本文介绍大信号负载牵引测试简况、负载牵引测试的目的和意义，并重点提出以调配器为核心组建负载牵引自动测试系统的技术方案，较好地解决了微波功率FET的大信号测试问题。

功率FET；大信号；负载牵引；调配器；测试系统

0 引言

近十年来,砷化镓技术发展迅速，砷化镓微波功率场效应晶体管是最重要的砷化镓器件。

功率器件的发展，对测试技术也提出更高的要求。以往测试是利用矢量网络分析仪测出功率FET的小信号参数的直流伏安特性，再推算出大信号S参数。这种方法是利用现有仪器设备，比较省钱，但测试及推算不但麻烦、工作量较大，而且误差也比较大。据调查了解，用此法所获得参数设计的放大器等微波部件，调试工作量往往都比较大。很多器件厂家都只给出了小信号S参数。微波功率放大器等部件的设计师们都希望能直接获得大信号下的功率微波参数，如管子的输人、输出阻抗、功率增益等，即通过大信号下功率的负载牵引测试，以获得管子的大信号微波参数。这正是我们的主要研究内容。

本文所述基于负载牵引测试的微波功率FET分析与测试方法是将被测件（DUT）放置在其真实的工作条件下进行，对其输入/输出阻抗、功率增益等大信号下的微波参数直接进行测试获取及分析从而解决微波功率FET的大信号测试问题。

图1 微波负载牵引测试系统

1 系统组成及测试流程

1.1 系统组成

以微波功率FET大信号功率参数的典型测试为例所组建负载牵引测试系统的框图如下图1所示。

硬件平台包含合成信号发生器、微波功率放大器、隔离器、定向耦合器、输入功率计、反射功率计、偏置T、输入调配器、测试夹具、输出调配器、偏置T、衰减器（定向耦合器）、输出功率计及连接电缆等。其中，合成信号发生器为微波功率FET提供微波激励信号；微波功率放大器为微波功率FET提供满足推动功率要求的微波激励离器保护合成信号发生器和微波功率放大器避免被大反射信号烧毁或出现频率牵引现象；定向耦合器分离输入参考信号及反射信号并测量出其功率；输入功率计测量出源提供的激励信号功率；反射功率计测量出反射信号功率；偏置T为微波功率FET提供偏置电压/电流；输入调配器调配微波功率FET的输入端阻抗；测试夹具提供微波功率FET到同轴端面的连接；输出调配器调配微波功率FET的输出端阻抗；衰减器提供微波功率FET输出信号的衰减；输出功率计测量出传递至负载的输出功率。

软件平台包含设备驱动、系统搭建、序列生成、系统校准、自动测量、后级处理和操作平台等模块化组成部分。其中，设备驱动实现对底层设备进行驱动控制与管理，以备系统校准、自动测量等模块调用的功能；系统搭建实现根据实际的测试任务要求增加/删减仪器以组建适合用户需要的测试系统的功能；序列生成实现依据当前系统搭建信息编辑出满足测试任务需求的测试序列的功能；系统校准实现针对不同的测试序列及其系统搭建信息对相关测量仪器执行自动校准的功能；自动测量实现针对不同的测试序列执行单次连接多次测试（SCMM）的自动测量的功能；后级处理实现进行后级数据处理、分析与报表打印、输出的功能；操作平台实现提供方便的用户操作交互并完成对系统搭建、序列生成、系统校准、自动测量、后级处理等模块调用的功能。

1.2 测试流程

负载牵引法是一种利用自动调配器来调节源和负载阻抗的测量技术。其原理是在给定输入功率的情况下，通过改变源或者负载阻抗，测量输入、输出功率以及功率附加效率等参数，同时纪录对应的源或者负载阻抗的数值。经过数据处理来获得最大输出功率或者最高功率附加效率状态下所需的最佳源和负载阻抗，从而得到输入输出匹配网络的最佳设计方案。测试流程框图如图2所示。

图2 微波功率FET大信号参数的典型负载牵引测试流程图

第一步，进行输入端（源）阻抗调配。按照测试给定条件的要求设置激励信号的频率、输出功率以及所要进行调配的范围、精度要求等，控制输入端（源）调配器进行阻抗变换，观测输入端和输出端功率计找到不同输入（源）阻抗状态下两者读数直至最终找到输入端共轭匹配状态（达到增益极值），该过程中所记录的数值经过处理后可在史密斯圆图上显示绘制微波功率FET的功率、增益的源牵引过程、等功率/增益曲线及最佳输入（源）匹配阻抗或其输入阻抗点。

第二步，进行输出端（负载）阻抗调配。固定源端状态不变，控制输出端（负载）调配器进行阻抗变换，观测输入端和输出端功率计找到不同输出（负载）阻抗状态下两者读数直至最终找到输出端共轭匹配状态（达到增益极值），该过程中所记录的数值经过处理后可在史密斯圆图上显示绘制微波功率FET的功率、增益的负载牵引过程、等功率/增益曲线及最佳输出（负载）匹配阻抗或其输出阻抗点。

第三步，由于在进行输出端（负载）阻抗牵引时微波功率FET的输入端可能会受到影响而发生一定变化，需进行第一步操作再次完成输入端（源）阻抗调配。

2 校准算法研究

上述系统软件平台可对系统内各测试仪器设备进行自动程控设置，具有通用性、可扩展性的开放式系统架构，这里重点介绍系统测试应用中所涉及的校准软件算法研究。

2.1 调配器校准算法

调配器（Tuner）是测试系统的关键部分，阻抗调节主要是由滑块上下左右的调节来实现。调配器由平板同轴线、精密定位探头、高精度步进电机及计算机接口等组成，其定位精度优于微米级，可以产生重复性很好的复数微波反射系数，其中最简单的无源基波调配器如图3所示。

图3 无源基波调配器

调配器是以并联导纳在平板同轴线上进行二维（水平、垂直方向）精密可控的微小位移运动实现阻抗变换。为实现精确测试在实际应用中采取的是使用矢量网络分析仪对最小移动步距为单位的连续位置分别进行测试，对于调配器工作频率所对应的二分之一波长尺度而言综合每一个位置坐标对应的S参数数据量非常庞大，不仅给数据的采集、储存、处理、分析等带来困难，而且也不利于测试效率的提高，必须采用数值分析中的内插算法进行简化。经过对反射系数与位置坐标之间的函数关系研究分析，导纳滑块的水平方向位置坐标影响着等反射系数的相位线性变化量而垂直方向位置坐标影响着反射系数的幅度变化量，因此不能采用简单的线性插值。经过对比分析，调配器的校准所采用的二维三点二元拉格朗日多项式内插算法可以将原本需要进行的上百万甚至上亿个点的数据点的测试简化为均匀分布的数千个数据点测试，大大提高测试的速度和效率，同时精度也能控制在较高的水平，实现了“有限点校准、连续点测量”的测试校准要求，表达式如下所示。

z即x或y，分别表示水平和垂直方向的位置坐标。

以此最临近任意位置点的9个校准点进行运算就可以得到该内插点的四个S参数及反射参数（阻抗）。反之根据相应的函数关系经过数据变换同样也可以得到任意反射参数（阻抗）所对应点的位置坐标。经过测试验证插值与实际测试的结果吻合的较好，重复性达到-50dB左右，可满足实际测试要求。对于任意点其四个S参数的插值和其实际测试值都可以通过下式进行计算以求解吻合程度。

2.2 校准面延伸算法

由于负载牵引测试中连接设备、电缆、转接器等很多，为保证测试的精度必须将系统各组成单元单独经过校准后级联起来通过校准端面延伸算法将校准参考面延伸至微波功率FET的连接端面以保证测试的高精度。下面以两个双端口网络的级联为例给出说明，信号流图如图4所示。

由信号流图可以得到式子（3）

图4 两级双端口网络信号流图

根据级联原理就可以得到级联组合的二端口网络的四个散射矩阵参数，也就将两个经过校准的双端口网络精确的S参数转化为级联后的组合双端口网络A的精确S参数：

同理可依次类推得到N个二端口网络级联后的等效组合双端口网络的精确S参数。该过程也可以通过与传输T矩阵之间的转换关系，以T矩阵的连乘形式简化运算得到。

3 结论

综合上述大信号负载牵引测试的原理、构成及对封装的被测件（DUT）的验证测试可以得到其主要特点如下：①可以测量给定条件下的被测件（DUT）大信号输出阻抗；②可以测量大信号下的正向增益和输出功率；③可以测量不同输入功率电平对应最大功率输出的负载阻抗；④可以进行器件的非线性测量；⑤可以测量负载敏感度；⑥可以在希望的大信号工作点上测量器件。从其与小信号S参数的测试对比来看，大信号负载牵引测试是解决微波功率FET的大信号参数测试的最佳途径。目前需要进一步研究和完善的是同轴到非同轴（微带）的去嵌入算法应用以便将精确测试端面延伸至微波功率FET的管脚。

[1]廖承恩.微波技术基础，西安电子科技大学出版社，1994．

[2]熊时泽.功率FET大信号负载牵引测试系统研制．宇航计测技术，第15卷，第5期，p1-12，1995年10月.

[3]王家礼.微波电路CAA与CAD．西安电子科技大学出版社，2003.

（第12页）

图2 软件计划过程活动

3.2过程之间的转段、关系及顺序

标准要求研制活动中各个过程在上一过程输出达到一定的条件基础上按要求开展后续过程的活动，过程间的先后顺序可以根据项目的具体情况灵活定义，过程可以重复进入和退出。

3.3 软件生命周期环境

“定义软件生命周期环境”通过在软件计划文件中描述软件需求、开发、验证和配置管理各个过程中所使用的生命周期环境来实现。软件生命周期环境包括使用的编制需求工具、开发所使用的系统、编程语言、编译、测试和验证的平台、测试的目标机环境、配置管理的系统等。

图3 软件生命周期环境

3.4 明确其它考虑因素

其它因素的考虑包括对先前开发软件的使用、替代方法、工具鉴定、形式化、模型开发及面向对象等方法和技术的附加考虑。该部分的须参照标准第12章在软件计划中进行说明。

3.5 软件开发标准

软件开发标准包括SRS、SDS及SCS。定义开发标准的目的是为软件开发过程制定规则和约束。如果采用基于模型、形式化及面向对象技术，则应确保新技术中的危险特征被屏蔽。

3.6 软件计划满足DO-178B/C的要求

计划的内容须实现标准要求过程和活动的全覆盖，可通过内部评审及检查单的形式来说明。

3.7 软件计划的修正考虑

随着项目的开展，原有的计划随着项目情况的变化需要修正。软件计划的修订控制须满足标准第7章的要求。

4 结束语

随着我国航空工业的发展，DO-178B/C标准将会得到越来越多的关注，机载软件研制单位在承担软件研制任务时，为提高软件的安全性及可靠性，用户可能要求其通过基于DO-178B/C的符合性审查。这就需要将现有军用标准体系（如GJB5000A）和DO-178B/C结合起来进行实施。因此DO-178B/C标准与现有军用标准体系进行融合将是重要的研究方向。

参考文献

[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]郑军，机载软件适航认证标准的进展及展望[J]，计算机工程与设计，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

张超（1983-），男，河北邢台人，工程师，研究方向为微波集成电路研究与设计。