固態(tài)微波器件防自激測試夾具研究

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610)

固態(tài)微波器件能夠實現微波功率的發(fā)射、放大、控制和接收，在射頻和微波通信系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用，廣泛應用在電子對抗、衛(wèi)星系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等方面[1-2]。隨著設計和制造技術的發(fā)展，固態(tài)微波器件不斷向著大功率、高頻率、高效率等方向發(fā)展，對器件的精確測試也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[3-4]。目前固態(tài)微波器件測試面臨的主要挑戰(zhàn)是易產生自激振蕩，這會使器件不能穩(wěn)定工作，甚至導致器件過熱或擊穿，造成永久性的失效[5]。如何消除自激振蕩已成為固態(tài)微波器件領域的研究重點。

良好的測試夾具設計可以有效防止自激振蕩現象的發(fā)生，但是目前微波器件測試夾具研究主要側重于測試校準、批量化測試夾具設計、測試夾具對器件測試影響分析等方面，很少有文獻涉及固態(tài)微波器件防自激測試夾具設計方法的研究。王文娟等[6-7]通過分析固態(tài)微波器件測試誤差的來源，利用校準技術，有效消除測試儀器和測試夾具引入的誤差，實現參數的精確測試。雷靜[8]針對非同軸微波器件接口，設計了分體式測試夾具，同時解決了去嵌入問題。王弘英等[9]通過系統(tǒng)分析測試夾具對微波晶體管測試的影響，指出可以通過夾具設計來消除自激現象。行業(yè)亟需合理有效的固態(tài)微波器件防自激夾具設計準則，支撐器件的精確測試。

本文通過分析自激振蕩的產生機理，在測試夾具設計方案中引入自激振蕩的消除措施，提出了固態(tài)微波器件防自激測試夾具設計準則，同時開展測試驗證。

1 自激振蕩產生機理

1.1 自激振蕩分類

自激振蕩是指附加在所需信號上一種不希望產生的振蕩，又稱為寄生振蕩。一旦固態(tài)微波器件產生自激振蕩，它們的性能就會受到嚴重破壞，甚至損壞[10]。

自激振蕩根據起振原因的不同，主要可以分為低頻振蕩、參數振蕩和負阻振蕩三類。低頻振蕩的產生主要是由于固態(tài)微波器件的增益通常隨著頻率的降低以每倍頻程3～5 dB的比例增加，一旦形成低頻諧振電路，便有可能引起低頻自激振蕩。參數振蕩是指固態(tài)微波器件寄生參數(寄生電感、寄生電容和各種損耗)變化引起的自激振蕩，通常為高頻振蕩。負阻振蕩是指將具有負阻特性的器件接入諧振回路時會抵消回路中的損耗電阻，從而產生的持續(xù)振蕩。

隨著固態(tài)微波器件設計和制造技術的進步，寄生參數及負阻器件對測試的影響越來越小，目前低頻振蕩已成為固態(tài)微波器件測試中最主要的自激振蕩現象，也是造成器件在調試過程中燒毀的最主要原因之一[5，10-11]。因此本文的研究重點主要集中在低頻振蕩。

1.2 低頻振蕩的產生機理

以目前應用最廣泛的微波功率晶體管為例，固態(tài)微波器件低頻振蕩的具體產生原因主要有以下三類:

(1)熱反饋效應

熱反饋效應指微波功率晶體管在較高溫度下本征激發(fā)大大增加，導致雜散發(fā)射少子的運動失常，使其偏離額定工作狀態(tài)，引起自激振蕩。

結溫對于微波功率晶體管的可靠性有著極其重要的影響。隨著結溫的升高，器件的失效率呈指數上升。當外界溫度較高，致使微波功率晶體管內部溫度超過允許的最高結溫200℃時，其工作能力會發(fā)生不可恢復的突然喪失，或引起管子特性不可恢復的惡化。

(2)電源饋電網絡

電源的饋電網絡是微波功率晶體管輸出匹配電路的一部分，其分布參數將影響功率管的工作狀態(tài)。當電源去耦不良時，外界微小的干擾就可能引起微波功率晶體管自激振蕩。電源的紋波過大，也有可能引起微波功率晶體管負載特性的變化而導致自激振蕩。

(3)耦合場的外回饋

微波功率晶體管輸出端泄漏的微波信號通常通過極間電容耦合到輸入端。當晶體管增益較高時，輸出的耦合信號與輸入信號幅度接近。一旦兩者相位也相近，就會構成正反饋，導致自激振蕩。

多級微波功率放大器中，由于級間匹配電路的輸入端和輸出端都是與相鄰放大器的輸入/輸出端相連，而功率管的輸入/輸出阻抗隨功率電平變化。因此在級間匹配電路很難實現全頻帶的良好匹配，在某些頻率點前后級會產生失配，這樣就比單級放大器更容易產生自激振蕩。

2 防自激測試夾具設計準則研究

在固態(tài)微波器件測試中，測試夾具作為測試儀器與被測器件之間的橋梁(見圖1)，主要用于實現固定被測件、饋電以及信號同軸傳輸轉微帶傳輸等功能，一般由射頻傳輸線路和偏置網絡兩部分組成。

圖1 固態(tài)微波器件測試夾具原理圖Fig.1 Schematic diagram of test-fixtures of solid state microwave devices

為有效消除固態(tài)微波器件測試中的自激振蕩現象，從自激振蕩產生機理出發(fā)，通過在測試夾具的設計方案，特別是偏置網絡的設計中，針對性地引入自激振蕩的消除措施，形成防自激測試夾具設計準則如下:

(1)改善器件散熱

為避免固態(tài)微波器件發(fā)生熱反饋效應進而導致低頻振蕩，需要在測試夾具的設計中做好散熱工作。通過良好的散熱設計(如圖1所示增加熱沉)來消除熱反饋效應，以避免器件長時間過熱工作產生自激振蕩。

(2)改善電源饋電網絡

當電源去耦不良或者波紋過大時，都有可能引起固態(tài)微波器件的自激振蕩。為了濾除電源雜波的干擾，需要在直流饋電點并聯到地去耦電容，如圖2中的C3和C4所示。實際測試中，去耦電容通常采用大容量電容和小容量電容組合并聯對地使用，以便在很寬的頻率范圍降低電源對地的阻抗。在布局上，為減少布線的阻抗，一般把小容量的電容器安置在緊靠電路的邊上[12]。通常會在直流通路放置λ/4傳輸線，阻止微波信號的通過，以減小電路插入損耗(見圖2)。

同時為改善柵極輸入的穩(wěn)定性，直流接入點和λ/4傳輸線之間通常會串聯電阻(見圖2中的R1)，由于柵極為肖特基接觸，沒有電流流過，因此在此電阻上不消耗功率。由于漏極輸出電流通常較大，無法使用串聯電阻，因此通常通過并聯電阻和電容串聯的RC網絡以提高穩(wěn)定性(見圖2中的R2和C5)。

(3)設置隔直流電路

設置隔直流電路的目的是通過降低振蕩回路的Q值以破壞自激振蕩的產生條件;同時防止直流信號通過偏置電路輸入交流設備中導致儀器損壞。目前通常在50 Ω傳輸線上串聯隔直電容來實現，見圖2中的C1和C2。

(4)確保偏置網絡具有較好的傳輸和反射特性

為了保證測試結果的準確性，同時有效消除自激振蕩，選擇的偏置電路在全頻段的反射系數要盡可能小，一般建議小于-20 dB;插入損耗要盡可能大，一般建議大于-3 dB。

(5)輸入輸出阻抗應匹配

微波功率晶體管阻抗一般不是50 Ω特征阻抗，在測試過程中要考慮對輸入輸出阻抗進行匹配以獲得最佳性能[9]。

圖2 微波晶體管推薦偏置電路Fig.2 Commend bias circuit of microwave transistors

3 測試驗證

3.1 防自激測試夾具設計

針對典型GaN內匹配功率管，依據防自激測試夾具設計準則，開展測試夾具設計。內匹配功率管是目前微波功率晶體管的主流應用形式，產品管殼內已經封裝了匹配電路，器件的輸入和輸出阻抗已經轉換到50 Ω。器件工作頻率為5.3～5.9 GHz，輸出功率為50 dBm(即100 W)，偏置電路如圖2所示，VDS=28 V，VGS=-2.6 V。

根據GaN微波功率晶體管的產品特性和工程實踐經驗，選取去耦電容C3=C4=1000 pF，柵極串聯電阻R1=100 Ω，隔直電容C1=C2=10 pF，R2=50 Ω，C5=1000 pF。制作偏置電路的基板材料采用Rogers 5870，介質層厚度為0.508 mm，金屬微帶厚度為18 μm。由于柵極只有很小的漏電，因此輸入λ/4傳輸線寬度僅為0.25 μm?？紤]到器件工作狀態(tài)下漏極電流較大，輸出λ/4傳輸線寬度為1 mm。

利用ADS軟件對輸入輸出偏置電路開展仿真，通過調節(jié)扇形微帶電容的角度和半徑，使電路的頻帶特性和傳輸特性達到最優(yōu)。通過優(yōu)化，使得輸入輸出偏置電路具有很好的傳輸和反射特性:在5.3～5.9 GHz的頻率范圍內，輸入偏置電路和輸出偏置電路的S11(輸入反射系數)和S22(輸出反射系數)均小于-20 dB，S21(插入損耗)小于0.1 dB。同時考慮器件功率較大，在測試盒體下面增加了熱沉用于提高器件的散熱。設計的防自激測試夾具實物照片如圖3所示。

3.2 測試結果與分析

為驗證防自激測試夾具的有效性，搭建固態(tài)微波器件測試系統(tǒng)開展測試驗證。測試系統(tǒng)的原理圖和照片分別如圖4和5所示。測試系統(tǒng)由E3649A直流電源、IT6952A直流電源、E8267D信號源、20S4G11A功率放大器、N5224A網絡分析儀、N9030A頻譜儀、N1911A功率計等設備組成。

圖3 防自激測試夾具實物照片Fig.3 Photograph of anti-self-oscillation test-fixtures

圖4 固態(tài)微波器件測試系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of test system of solid state microwave devices

圖5 固態(tài)微波器件測試系統(tǒng)照片Fig.5 Photograph of test system of solid state microwave devices

器件測試條件如下:工作頻率f為5.3，5.6，5.9 GHz，輸入功率為40～44 dBm，脈寬為300 μs，占空比取10%。在測試前需要對固態(tài)微波器件測試系統(tǒng)進行輸入、輸出以及夾具校準，測量各頻點下的夾具損耗，通過修正以保證測試結果的準確性。

首先在不使用防自激夾具的情況下開展測試，器件多次出現自激振蕩現象，不能穩(wěn)定工作，無法準確讀取參數值。

接著利用防自激夾具開展測試，器件多次重復測試未出現自激振蕩，測試結果一致性好，器件各參數值如表1所示。

表1 測試結果Tab.1 Test results

從表1可以發(fā)現，器件各項參數指標均滿足其技術要求:在3個頻點的輸出功率均大于51 dBm，峰值工作電流不小于8.6 A，表明產品具有良好的輸出特性;3個頻點功率增益都在8 dB以上，功率增益平坦度均為±0.05 dB，表明產品具有良好的交流功率放大特性;3個頻點功率附加效率都大于49%，表明產品在直流功率轉換為交流功率方面具有良好的功率轉換效率。

4 結束語

為解決固態(tài)微波器件測試中的自激振蕩問題，本文通過系統(tǒng)分析自激振蕩產生機理，研究制定自激振蕩消除措施，提出了固態(tài)微波器件防自激測試夾具設計準則，為防自激夾具的研制提供借鑒和指導，有助于實現固態(tài)微波器件的精確測試。實驗結果驗證了本文提出設計準則的可行性，后續(xù)將針對固態(tài)微波器件批量化測試需求，研究分體式防自激測試夾具。