CN106932701A - 一种微波功率管的性能特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频微波技术领域，具体涉及一种微波功率管的性能特性测试方法，包括S1、对测试夹具做校准测试，得到测试夹具输入端和输出端的传输特性；S2、建立测试夹具与待测功率管引脚连接处、测试夹具导线、待测功率管引脚导线的仿真模型；S3、分别对三个仿真模型进行电磁场模拟仿真，得到连接处的传输特性、测试夹具导线的传输特性及待测功率管引脚导线的传输特性；S4、根据上述3个传输特性计算得到不连续处的传输特性；S5、将不连续处的传输特性嵌入到测试夹具的传输特性中，得到测试夹具输入端和输出端的影响因素传输特性；S6、对待测功率管进行S参数测试，测试结果扣除影响因素传输特性后得到待测功率管的真实性能特性。

Description

一种微波功率管的性能特性测试方法

技术领域

本发明属于射频微波测试领域，具体涉及一种微波功率管的性能特性测试方法。

背景技术

在射频微波频段，常见的功率管类型有Si LDMOS、GaN HEMT等，射频微波功率管常被用来设计功率放大器。在设计放大器之前，一般需要对功率管进行负载牵引测试，找到其最佳工作性能对应的阻抗点，从而利用该阻抗点进行输入输出匹配电路设计。

射频微波功率管一般采用陶瓷法兰封装，而且输出功率较大，很难直接进行在片测试，因此，需要制作专门的测试夹具。另外，由于功率管的最佳输入输出阻抗很小，并且随着工作频率的升高进一步减小，例如一款GaN HEMT功率管，型号Cree CGH40010，在3.5GHz时的最佳输入阻抗的实部仅为3.8Ω。如此小的阻抗在史密斯圆图上的位置已经靠近圆图边缘，而常用的机械式阻抗调谐器(tuner)由于自身能力的限制，在靠近斯密斯圆图边缘位置的调谐精度较差，因此，在制作功率管测试夹具时，一般需要做阻抗变换，常见的阻抗变换形式为渐变线，可经过优化设计，将测试***端口的50Ω特性阻抗变换到待测件(待测功率管)端口小于10Ω的特性阻抗，起到将tuner调谐阻抗的圆心从斯密斯圆图的中心(50Ω)向靠近待测功率管最佳阻抗点搬移的作用，从而提高负载牵引时的测试精度。

测试夹具自身对测试结果的影响可以通过去嵌的方式消除，例如在进行负载牵引测试前，需要对测试夹具做校准测试，得到夹具输入端和输出端的传输特性(S参数)，然后将夹具的效应从最终的测试结果中进行去嵌入扣除，从而得到待测功率管本身的特性。但是，射频微波功率管法兰封装的输入输出引脚的宽度是变化的，不同型号的功率管引脚宽度不同，一般随着功率管的功率能力增大而变宽。而设计的测试夹具通常是通用的，不可能针对每种待测功率管定制一种对应引脚宽度的测试夹具，因此功率管封装引脚的宽度与测试夹具待测功率管端的导线宽度往往不一致，从而在界面处引入不连续性；除此之外，测试夹具的传输线一般采用介质基板，而功率管芯封装的传输线一般采用陶瓷基板，两种基板材料的介电常数、厚度等参数均不相同，也会在界面处引入不连续性。这种界面处的不连续性将带来额外的寄生效应，而这种寄生效应是不能通过夹具去嵌入的方式消除的，导致待测功率管测试结果中包含了该不连续处的影响，会使待测功率管最终的测试结果产生偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波功率管的性能特性测试方法，该方法可以很好地解决待测功率管最终测试结果存在偏差的问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种微波功率管的性能特性测试方法，包括以下步骤：

S1、对测试夹具做校准测试，得到测试夹具输入端和输出端的传输特性；

S2、采用全波电磁场仿真软件，建立测试夹具与待测功率管引脚连接处的仿真模型，建立测试夹具导线的仿真模型，建立待测功率管引脚导线的仿真模型；

S3、分别对三个仿真模型进行电磁场模拟仿真，得到连接处的传输特性、测试夹具导线的传输特性及待测功率管引脚导线的传输特性；

S4、根据连接处的传输特性、测试夹具导线的传输特性及待测功率管引脚导线的传输特性计算得到不连续处的传输特性；

S5、将不连续处的传输特性嵌入到测试夹具的传输特性中，得到影响因素传输特性；

S6、对待测功率管进行S参数测试，测试结果扣除影响因素传输特性后得到待测功率管的真实性能特性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可以消除射频微波功率管测试夹具与待测功率管连接端口的不连续处的影响，使待测功率管得测量结果更加真实可信；

(2)针对不用的待测功率管，如果引脚导线宽度不同，或者介质基板材料不同，可以采用本发明提供的方案，对每种待测功率管进行仿真模拟，消除测试夹具与待测功率管端面不连续处的影响，而无需针对每种待测功率管设计一款与之导线宽度匹配的测试夹具，提高了测试效率和降低了测试成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的流程示意图；

图2为微波功率管夹具测试***的示意图；

图3为测试夹具与待测功率管引脚连接处的仿真模型示意图；

图4为测试夹具导线的仿真模型示意图；

图5为待测功率管引脚导线的仿真模型示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

本实例中，测试夹具采用的介质基板材料为Rogers 6010，厚度为1.27，相对介电常数11.8，采用渐变线过渡的形式，将AA’端面50Ω特性阻抗(对应的导线宽度为1.1mm)过渡到BB’端面8Ω的特性阻抗(对应的导线宽度为15.4mm)。待测功率管的型号为CreeCGH40010，其输入输出引脚导线宽度为1.3mm，引脚介质基板为氧化铝陶瓷，相对介电常数为9.4。因此，在待测功率管和测试夹具的连接端面BB’面，由于导线宽度和介质基板材料均不同，会引入不连续性。

如图2所示，微波功率管夹具测试***包括矢量网络分析仪1、测试线缆2、测试夹具输入端3、测试夹具输出端4及待测功率管5。在正式测量之前，需要对矢量网络分析仪1进行校准，将测试参考面移动到测试线缆2的端面，即AA’面；常用的矢量网络分析仪的校准方法有TRL、SOLT等，本实例中采用TRL的校准方法。如果此时直接进行功率管的性能特性测试，测试的结果中包含了功率管自身和测试夹具共同的特性，并且存在不连续性带来额外的寄生效应。为了得到待测功率管自身的性能，需要扣除测试夹具输入端3和输出端4的传输特性，还需要扣除不连续性处的传输特性，从而将测试参考面移动到待测功率管的端面，即BB’面。

基于上述思路，本实施例提供一种微波功率管的性能特性测试方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、对测试夹具做校准测试，采用TRL法得到测试夹具输入端和输出端的传输特性；

TRL法中T表示直通Through、R表示反射Reflect(本实例中用开路实现反射)、L表示延时线Line，用矢量网络分析仪1分别测量这三种状态下测试夹具的S参数，然后通过计算得到测试夹具的输入端3和输出端4的传输特性，所谓传输特性是指其二端口S参数，分别表示为CONA和CONB；

S2、采用全波电磁场仿真软件，建立测试夹具与待测功率管引脚连接处的仿真模型，如图3所示，包括测试夹具的介质基板11、测试夹具的金属导线12、待测功率管的金属封装13、待测功率管的陶瓷基板14、待测功率管的引脚导线15以及测试夹具的金属支撑16，其中测试夹具的金属导线12和待测功率管的引脚导线15的长度均设置为30mm；建立测试夹具导线的仿真模型，如图4所示，测试夹具的金属导线12的长度设置为30mm；建立待测功率管引脚导线的仿真模型，如图5所示，待测功率管的引脚导线15的长度设置为30mm；

S3、为了覆盖待测功率管的最高工作频率的三次谐波，3个仿真模型在仿真时频率均设置为0.1～15GHz；对测试夹具与待测功率管引脚连接处的仿真模型进行电磁场模拟仿真，得到连接处的传输特性S_all；对测试夹具导线的仿真模型进行电磁场模拟仿真，得到测试夹具导线的传输特性S₁；对待测功率管引脚导线的仿真模型进行电磁场模拟仿真，得到待测功率管引脚导线的传输特性S₂；

S4、根据连接处的传输特性、测试夹具导线的传输特性及待测功率管引脚导线的传输特性计算得到不连续处的传输特性；

根据微波网络矩阵理论，连接处的传输特性S_all可以分为三部分，分别为测试夹具导线的传输特性S₁、待测功率管引脚导线的传输特性S₂以及它们两者的不连续处的传输特性S₃，将这三部分的传输特性变换为传输矩阵，分别表示为A₁、A₂和A₃，则该模型总的传输矩阵A_all可以表示为：

A_all＝A₁·A₃·A₂；

其中，A_all可以由传输特性S_all经过矩阵变换得到。那么，测试夹具与待测功率管端面的不连续处的传输矩阵为：

最后，将A₁、A₂、A_all带入上式中，即可得到测试夹具与待测功率管端面的不连续处的传输矩阵A₃，再经过矩阵变换可以得到不连续处的传输特性S₃；

S5、将不连续处的传输特性嵌入到测试夹具的传输特性中，得到测试夹具输入端和输出端的影响因素传输特性；

将测试夹具与待测功率管端面不连续处的影响当成测试夹具自身传输特性的一部分，将步骤S4得到的不连续处的传输特性S₃嵌入到测试夹具自身的传输特性CONA和CONB之中。那么，加入不连续处的影响后，测试夹具的输入段3和输出段4的影响因素传输矩阵可以分别表示为：

A_CONAX＝A_CONA·A₃

A_CONBX＝A₃·A_CONB

其中，A_CONAX表示输入段3的影响因素传输矩阵，A_CONBX表示输出段4的影响因素传输矩阵，A_CONA表示测试夹具自身输入段3的传输矩阵，由步骤S1输入段3的传输特性变换得到；A_CONB表示测试夹具自身输出段4的传输矩阵，由步骤S1输出段4的传输特性变换得到；

最终，通过矩阵变换得到影响因素传输特性，即包含不连续处的影响的测试夹具输入段3和输出段4的传输特性CONAX和CONBX。

S6、采用图2中的***框图对待测功率管进行S参数测试，测试结果扣除影响因素传输特性后得到待测功率管真实的性能特性，计算公式为：

A_DUT＝A_CONAX ^-1·A_TEST·A_CONBX ^-1

其中，A_DUT表示待测功率管真实的性能特性矩阵，A_CONAX表示输入段3的影响因素传输矩阵，A_CONBX表示输出段4的影响因素传输矩阵，A_TEST表示步骤S6中测试结果的传输矩阵。将A_DUT通过矩阵变换即可得到真实的性能特性。

以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。

Claims (6)

1.一种微波功率管的性能特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对测试夹具做校准测试，得到测试夹具输入端和输出端的传输特性；

S2、采用全波电磁场仿真软件，建立测试夹具与待测功率管引脚连接处的仿真模型，建立测试夹具导线的仿真模型，建立待测功率管引脚导线的仿真模型；

S3、分别对三个仿真模型进行电磁场模拟仿真，得到连接处的传输特性、测试夹具导线的传输特性及待测功率管引脚导线的传输特性；

S4、根据连接处的传输特性、测试夹具导线的传输特性及待测功率管引脚导线的传输特性计算得到不连续处的传输特性；

S5、将不连续处的传输特性嵌入到测试夹具的传输特性中，得到测试夹具输入端和输出端的影响因素传输特性；

S6、对待测功率管进行S参数测试，测试结果扣除影响因素传输特性后得到待测功率管的真实性能特性。

2.根据权利要求1所述的微波功率管的性能特性测试方法，其特征在于，所述步骤S1中采用开路/短路法或TRL法得到夹具输入端和输出端的传输特性。

3.根据权利要求1或2所述的微波功率管的性能特性测试方法，其特征在于，所述步骤S3仿真时频率均设置为0.1～15GHz。

4.根据权利要求1所述的微波功率管的性能特性测试方法，其特征在于，所述步骤S4不连续处的传输特性的计算公式为：

$A_3=A_1^{-1}\·A_{all}\·A_2^{-1},$

A₁表示测试夹具导线的传输矩阵，由测试夹具导线的传输特性变换得到；A₂表示待测功率管引脚导线的传输矩阵，由待测功率管引脚导线的传输特性变换得到；A_all表示连接处的传输矩阵，由连接处的传输特性变换得到；A3表示不连续处的传输矩阵，通过矩阵变换得到不连续处的传输特性。

5.根据权利要求4所述的微波功率管的性能特性测试方法，其特征在于，所述步骤S5中计算影响因素传输特性的公式为：

A_CONAX＝A_CONA·A₃，

A_CONBX＝A₃·A_CONB，

A₃表示不连续处的传输矩阵；A_CONA表示测试夹具自身输入段的传输矩阵，由步骤S1输入段的传输特性变换得到；A_CONB表示测试夹具自身输出段的传输矩阵，由步骤S1输出段的传输特性变换得到；A_CONAX表示输入段的影响因素传输矩阵，通过矩阵变换得到输入段的影响因素传输特性；A_CONBX表示输出段的影响因素传输矩阵，通过矩阵变换得到输出段的影响因素传输特性。

6.根据权利要求5所述的微波功率管的性能特性测试方法，其特征在于，所述步骤S6中待测功率管的真实性能特性的计算公式为：

A_DUT＝A_CONAX ^-1·A_TEST·A_CONBX ^-1，

A_DUT表示待测功率管真实的性能特性矩阵，通过矩阵变换得到真实的性能特性；A_CONAX表示输入段的影响因素传输矩阵，A_CONBX表示输出段的影响因素传输矩阵，A_TEST表示步骤S6中测试结果的传输矩阵。