極低溫下HEMT晶體管噪聲參數(shù)提取

劉 英，羊 愷

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，四川 成都 611731）

極低溫下HEMT晶體管噪聲參數(shù)提取

劉 英1，羊 愷2

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，四川 成都 611731）

在極低溫環(huán)境中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管的噪聲參數(shù)提取，該文采用嵌入網(wǎng)絡(luò)和去嵌入式技術(shù)。在測(cè)試的過(guò)程中，將多工器嵌入到測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)有源器件所需要的不同頻率電源；同時(shí)，將多工器與直通校準(zhǔn)件相連，利用噪聲系數(shù)與增益之間的關(guān)系，分別求出嵌入網(wǎng)路中的S參數(shù)，后用Matlab編程計(jì)算。由此求出HEMT晶體管的噪聲系數(shù)（NF），從而實(shí)現(xiàn)在極低溫環(huán)境下的晶體管的噪聲參數(shù)提取，為極低溫下的微波電路設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)方案。

極低溫；多工器；嵌入網(wǎng)絡(luò)；HEMT晶體管；噪聲系數(shù)提取

0 引 言

低溫環(huán)境下，本征載流子的濃度很低、熱電壓也會(huì)隨著下降，同時(shí)，凍析效應(yīng)的影響會(huì)隨著溫度的變化而變化[1]。因此，低溫環(huán)境更能體現(xiàn)電路的優(yōu)勢(shì)，如插損小，電路的噪聲系數(shù)降低，靈敏度提高，抗干擾能力增強(qiáng)[2]等。在微波電路仿真設(shè)計(jì)時(shí)，器件的噪聲系數(shù)（NF）由廠商提供，且是在常溫下獲取的。就電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，常溫和低溫下的測(cè)試參數(shù)存在誤差，必將影響后期的電路調(diào)試工作。同時(shí)，一旦網(wǎng)絡(luò)本身存在噪聲，則輸出的噪聲功率增長(zhǎng)速度要比信號(hào)功率增長(zhǎng)速度快得多，這時(shí)輸出信噪比就要下降[3]。

對(duì)于二端口網(wǎng)絡(luò)而言，NF不僅反映了網(wǎng)絡(luò)的本征噪聲特性，也反映了對(duì)輸入噪聲的影響。測(cè)量有源晶體管時(shí)，測(cè)試夾具上需要給待測(cè)設(shè)備（DUT）提供偏置電壓以便打通溝道，這種方法對(duì)測(cè)試散射參數(shù)（S參數(shù)）完全可行，但對(duì)于測(cè)試DUT的噪聲系數(shù)就存在一定的難度。文獻(xiàn)[4]有對(duì)這種測(cè)試的介紹，但過(guò)程、方法非常繁瑣。為此，筆者采用了2個(gè)多工器將三路不同頻率的微波信號(hào)耦合到同一個(gè)波導(dǎo)輸出的結(jié)構(gòu)，在輸入輸出端對(duì)直流信號(hào)、射頻信號(hào)進(jìn)行隔離，這樣既完成了S參數(shù)的測(cè)量，又能進(jìn)行噪聲系統(tǒng)的測(cè)量。

1 多工器設(shè)計(jì)

多工器一般由多個(gè)高低通濾波器級(jí)聯(lián)而成，在設(shè)計(jì)多工器的過(guò)程中，先單獨(dú)設(shè)計(jì)單個(gè)高、低通濾波器，然后再級(jí)聯(lián)優(yōu)化濾波器的過(guò)渡部分[5]。本設(shè)計(jì)采用T型分支線將多個(gè)高、低通濾波器級(jí)聯(lián)。其設(shè)計(jì)的思想是利用1/4波長(zhǎng)將兩個(gè)帶通濾波器之間實(shí)現(xiàn)為開(kāi)路，從而實(shí)現(xiàn)相互之間的隔離。將以上設(shè)計(jì)的兩組高、低通濾波器通過(guò)T型節(jié)級(jí)聯(lián)起來(lái)，再優(yōu)化雙工器在交接點(diǎn)的過(guò)渡，這樣就實(shí)現(xiàn)了多工器的制作，如圖1所示。

圖1（a）中Port 1是DC-7.4GHz的低通濾波器，Port 2是7.4～12.2GHz的帶通濾波器，Port 3是12.2 GHz的高通濾波器，這3個(gè)濾波器滿足了用于不同測(cè)試頻率范圍的要求，Port 4是公共輸出端。又由于測(cè)試過(guò)程中校準(zhǔn)技術(shù)和測(cè)試方法的介入能直接去掉濾波器之間的耦合，所以在仿真過(guò)程中直接將雙工器拼接，不需要再做整體優(yōu)化仿真。

各個(gè)端口仿真參數(shù)曲線參見(jiàn)圖2。本課題中采用介電常數(shù)為2.2，厚度為10mil（1mil=0.0254mm）的基片加工而成，加工后的實(shí)物圖見(jiàn)圖1（b）。由于在測(cè)試時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只有兩個(gè)測(cè)試端口，所以為了更好地與測(cè)試件匹配，需要將其他暫時(shí)不用的端口接上50Ω的匹配負(fù)載。低溫下的測(cè)試曲線如圖3所示。

圖1 多工器設(shè)計(jì)圖

圖2 多工器S參數(shù)仿真曲線

圖3 多工器S測(cè)試曲線

2 HEMT晶體管噪聲系數(shù)測(cè)試

實(shí)際生活中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都會(huì)使信噪比惡化，NF是信噪比下降的量度，如下式所示：

式中：（S/N）i——輸入的信號(hào)與噪聲功率之比；

（S/N）o——輸出的信號(hào)與噪聲功率之比。

噪聲特性的另一種表示是噪聲溫度T，當(dāng)噪聲系數(shù)比較低的時(shí)候，通常用T來(lái)表達(dá)噪聲特征。它與噪聲系數(shù)的關(guān)系如下式所示：

其中T0=290K。

本文采用對(duì)部件噪聲系數(shù)的精確測(cè)量來(lái)獲取噪聲系數(shù)，使參數(shù)更接近DUT的真實(shí)參數(shù)。文獻(xiàn)[6]中給出了另外兩種測(cè)試方法：通過(guò)部件的小信號(hào)等效電路來(lái)獲取或部件噪聲參數(shù)的直接提取。前者需要分別獲得外部元件和本征元件的相關(guān)參數(shù)來(lái)獲取噪聲參數(shù)，后者是對(duì)參數(shù)Fmin、Rn、和Γopt（包括幅度和相位）進(jìn)行估測(cè)的新方法[7]。這種方法適合在頻段和準(zhǔn)確度要求不太高時(shí)使用。

圖4 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

圖5 嵌入網(wǎng)絡(luò)示意圖

如圖4所示，噪聲參數(shù)分析儀所測(cè)出的噪聲系數(shù)實(shí)際是一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)A、B和DUT所組成的級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)可用下式表示：

GA，GB和GDUT分別表示輸入A，輸出B和測(cè)試件DUT的有效功率增益。這些參數(shù)可以從各自的S參數(shù)中求得，如下式所示：

因?yàn)锳、B兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，所以其噪聲系數(shù)可以從增益中獲得，兩者之間的轉(zhuǎn)換如下式所示：

聯(lián)合式（3）、式（4）、式（5），可以求得測(cè)試件的噪聲系數(shù)，如下式所示：

由于所測(cè)試的晶體管兩端的網(wǎng)絡(luò)A和B也會(huì)影響組件的噪聲系數(shù)，因此需將A、B的影響去除。這里可以將A、B看作性能指標(biāo)均一樣的網(wǎng)絡(luò)，也可以利用時(shí)域反射技術(shù)解決這一問(wèn)題。因?yàn)镾參數(shù)不能直接級(jí)聯(lián)相乘，所以需要將散射參數(shù)轉(zhuǎn)換為傳輸矩陣T。S參數(shù)與T參數(shù)直接的轉(zhuǎn)換如下式所示：

A、B和DUT網(wǎng)絡(luò)的T矩陣級(jí)聯(lián)為下式所示：

現(xiàn)在要解決的問(wèn)題是如何求出TA或TB。利用傳輸線特性，將多工器和校準(zhǔn)件中的直通標(biāo)準(zhǔn)件相連，矢網(wǎng)利用SOLT校準(zhǔn)技術(shù)分別求出圖4和圖5的網(wǎng)絡(luò)SM1和SM2參數(shù)，此時(shí)，SM1是網(wǎng)絡(luò)A，B和DUT的S參數(shù)，SM2是網(wǎng)絡(luò)A，B的S參數(shù)。利用式（8），在Matlab中編程，便可求出所需要的S21參數(shù)、G參數(shù)，NF參數(shù)。

圖6 常溫下噪聲系數(shù)測(cè)試

當(dāng)然噪聲儀測(cè)試出的參數(shù)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)，需要結(jié)合多工器的S參數(shù)聯(lián)合Matlab編程，來(lái)除去整個(gè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中不需要的網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的噪聲，如多工器、同軸微帶轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)等，才能獲得測(cè)試件的噪聲系數(shù)。

圖6測(cè)試的是常溫下的噪聲系數(shù)，圖6（a）為靜態(tài)工作點(diǎn)VDS=2V，ID=10mA時(shí)的不同頻率下的噪聲系數(shù)，這種晶體管的噪聲系數(shù)很低，一般用來(lái)設(shè)計(jì)低噪聲放大器。圖6（b）中同一頻率下，變化是的噪聲系數(shù)。其中，紅色曲線為生產(chǎn)廠商提供的噪聲系數(shù)，黑色曲線為測(cè)試出的噪聲系數(shù)。

一般情況下，當(dāng)噪聲系數(shù)（NF）較小時(shí)，通常用噪聲溫度（T）來(lái)表示噪聲系數(shù)。最終的噪聲溫度見(jiàn)圖7（b）。上述測(cè)試結(jié)果是在VDS=2V，f=12GHz，噪聲系數(shù)隨著IDS的變化所體現(xiàn)的變化。當(dāng)溫度變化大時(shí)，噪聲系數(shù)變化明顯，如圖7所示。

圖7 30K低溫下噪聲測(cè)試

文獻(xiàn)[8]指出，噪聲系數(shù)是一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的測(cè)量，不像其他參數(shù)（如電阻、電壓）那樣能夠精確地測(cè)量。產(chǎn)生這種情況的原因除了測(cè)試電路的噪聲之外，更主要是所選用的測(cè)試方法。從上述的測(cè)試過(guò)程來(lái)看，器件的噪聲參數(shù)誤差主要有兩個(gè)來(lái)源：校準(zhǔn)NF50引起的誤差（阻抗失配誤差）；S參數(shù)測(cè)量引起的測(cè)量誤差。而NF50的校準(zhǔn)參數(shù)來(lái)源于原供應(yīng)商所提供的參數(shù)，為固定值，但它會(huì)隨著測(cè)試環(huán)境的改變稍微發(fā)生變化，會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)一定的影響。S參數(shù)測(cè)量包含多項(xiàng)器件的測(cè)量參數(shù)，它是由多項(xiàng)誤差共同引起的。后期的噪聲系數(shù)提取算法中的精度也會(huì)給噪聲系數(shù)獲取帶來(lái)影響[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

噪聲參數(shù)，特別是許多低噪聲器件，其測(cè)量不像其他參數(shù)（如電阻、電壓）那樣能夠精確地測(cè)量。產(chǎn)生這種情況的原因除了測(cè)試電路的噪聲之外，更主要的是與所選用的測(cè)試方法有關(guān)。所以，其噪聲系數(shù)的測(cè)量，只能說(shuō)是測(cè)試出一種符合統(tǒng)計(jì)特性范圍內(nèi)的參數(shù)，不會(huì)像其他電參數(shù)那樣準(zhǔn)確。

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Noise parameter extraction of HEMT transistors at extremely low temperature

LIU Ying1，YANG Kai2
（1.Aviation Engineering Institution，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307，China；2.College of Aeronautics and Astronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In orderto extractthe noise parametersofHEMT transistorsatextremely low temperature， an embedding network and de-embedding technology has been adopted.A multiplexer was embedded into a test network to provide active devices with different frequencies of power during the test.At the same time，the multiplexer was connected with a through calibration module to obtain multipleSparameters in the embedded network based on the relationship between noise figures and transmission gains.And HEMT transistor noise figures（NF）were calculated via MATLAB programming，achieving the extraction of noise parameters at low temperaturesand offeringa powerful technicalsolution formicrowavecircuitdesign atlow temperatures.

low temperature；multiplexer；embedded network；HEMT transistor；NF extraction

A

：1674-5124（2015）05-0026-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.007

2014-09-21；

：2014-11-17

劉 英（1982-），女，四川成都市人，研究方向?yàn)榈蜏叵挛⒉ú考?shù)測(cè)試。