[发明专利]一种精确表征功率晶体管匹配特性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表征功率晶体管匹配特性的方法。

背景技术

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50Ω）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Z_S和Z_L。输入匹配网络的设计是将信号源阻抗Z₁（50Ω）变换到晶体管的源阻抗Z_S，输出匹配网络的设计是将晶体管的负载阻抗Z_L变换到终端负载Z₂（50Ω）。

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，阻抗调配器二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。

发明内容

本发明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：