Оптимизация нагрузки полупроводниковых устройств СВЧ и КВЧ диапазона на пластине с использованием метода Load Pull
Усилители мощности являются ключевыми компонентами многих СВЧ-систем, а их технические характеристики часто определяют построение всей разрабатываемой электронной системы. Тестирование усилителей мощности – непростая задача, требующая от инженера измерения параметров компонентов, работающих в линейном и нелинейном режимах, с использованием мощной испытательной системы.
Как правило, инженеры проводят ряд линейных измерений при высоких уровнях мощности с некоторыми ограничениями, а затем просто предполагают, что усилитель является линейным, рассчитывая, что нелинейность несущественна. В идеале, инженер будет измерять характеристики усилителя, а затем использовать эти результаты для моделирования, чтобы определить, как ведет себя усилитель при работе с другими устройствами. Но результаты моделирования при данном допущении часто оказываются неправильными, поскольку на самом деле усилитель не ведет себя как линейное устройство.
Альтернативный подход заключается в точном описании нелинейного поведения устройства с использованием комплексного решения. Данное решение состоит из аппаратных и программных средств от ведущих мировых производителей радиоизмерительного оборудования: Keysight Technologies, Focus Microwaves и MPI.
Решение позволяет проводить измерения основных параметров СВЧ-устройств, моделировать радиоэлектронные компоненты и тракты следующей номенклатуры:
- Полевые транзисторы;
- Усилители мощности;
- Малошумящие усилители;
- Преобразователи частоты
Метод оптимизации нагрузки (Load Pull)
Если при работе в режиме малых сигналов устройство полностью может характеризоваться при помощи набора S-параметров, то для того, чтобы полностью охарактеризовать работу нелинейного устройства в режиме больших сигналов, подобного набора измеренных значений S-параметров недостаточно. Часто для определения характеристик в режиме больших сигналов необходимо выполнить дополнительные измерения, которые устанавливают зависимость S-параметров от параметров смещения с использованием метода оптимизации нагрузки (Load Pull).
Большинство наиболее важных рабочих характеристик (выходная мощность, КПД и интермодуляционные составляющие) сильно зависят от импеданса нагрузки и очень слабо зависят от импеданса источника. Таким образом, для изучения характеристик устройства нужно изменять импеданс нагрузки с помощью импедансного тюнера и отслеживать изменения параметров устройства. Результаты часто отображаются в виде контуров импеданса, которые наносятся на диаграмму Вольперта-Смита.
Импедансные тюнеры серии DELTA компании Focus Microwaves
Электромеханические импедансные тюнеры серии DELTA от компании Focus Microwaves предназначены для проведения измерений высокочастотных устройств на пластине при использовании зондовой станции. Конфигурация тюнеров данной серии позволяет разместить их по периметру тестируемой пластины и обеспечивает прямое подключение между зондом и тюнером, что позволяет минимизировать вносимые потери между тюнером и тестируемым устройством
Ключевые возможности тюнеров DELTA:
- Разные модели с общим диапазоном рабочих частот от 2 ГГц до 110 ГГц;
- Контроль импеданса вплоть до третей гармоники;
- Прямое подключение между тюнером и зондом для увеличения диапазона установки импеданса;
- Идеально подходят для тестирования устройств КВЧ диапазона и устройств стандарта 5G.
Зондовые станции компании MPI
Зондовая станция представляет собой специальную платформу с вакуумной фиксацией изделия для прецизионного контактирования тестовых зондов, позволяющих проводить измерения как на постоянном токе, так и высокочастотные. Для визуализации процесса контактирования используется микроскоп с возможностью регулирования яркости, с помощью которой подсвечивается рабочая зона. Для наглядной визуализации на микроскоп устанавливается видеомодуль, подключаемый к дисплею. На нем прекрасно видны все детали процесса, поэтому можно легко проводить любые манипуляции и перемещения изделия.
Для эффективной работы с устройствами на пластине можно использовать зондовую станцию TS200A-SE компании MPI
Ключевые возможности зондовой станции MPI TS200A-SE:
- Автоматическое измерение при температурах от -40 до +200 оС;
- Новый функционал автоматизации калибровки и очистки зондов;
- Вспомогательная платформа для установки тюнеров импеданса.
Зондовая станция MPI также может быть укомплектована специализированным интеграционным комплектом, который позволяет размещать импедансные тюнеры серии DELTA под заданным углом наклона к пластине с возможностью последующего позиционирования.
Комплекс для векторного анализа цепей в диапазоне частот до 110 ГГц
Измерительный комплекс компании Keysight Technologies N5290A позволяет проводить векторный анализ цепей в диапазоне частот от 900 Гц до 110 ГГц. Комплекс позволяет выполнять высококачественные измерения параметров устройств на подложках и в различных типах трактов в широком диапазоне частот, включая миллиметровый.
Комплекс N5290A может быть построен на базе векторных анализаторов цепей серий PNA или PNA-X с максимальными рабочими частотами 26,5 или 67 ГГц. Еще одним ключевым элементом комплекса являются двух или четырехпортовые контроллеры внешних измерительных блоков и набор компактных модулей расширения частотного диапазона. Модули расширения частотного диапазона имеют усиленные соединители сечения 1,0 мм, конвекционное охлаждение и встроенную память с данными, обеспечивающими полностью калиброванную мощность на выходе порта при включении прибора.
Архитектура комплекса отражает принцип «одно подключение – множество измерений», обеспечит наибольшее удобство при решении подобных измерительных задач. ВАЦ серии PNA-X компании Keysight спроектированы таким образом, что позволяют измерять различные параметры пассивных и активных устройств за одну серию подключений: S-параметры, коэффициент шума (КШ), компрессию усиления, коэффициент гармоник, уровни продуктов гармонических и интермодуляционных искажений и прочие.
Программное обеспечение для проведения измерений Load Pull
Программное обеспечение для измерения и моделирования, предлагаемые компанией Focus Microwaves, поддерживает различные методы Load Pull, включая традиционные Load Pull с использованием внешних приборов, Load Pull на основе VNA, активные Load Pull и гибридные Load Pull. Визуализация дает пользователям возможность графически отображать результаты измерений.
Программное обеспечение предлагает современный и интуитивный инструмент для визуализации контуров мощности на диаграмме Вольперта-Смита, а также управляет измерительной системой в автоматизированном режиме с внешнего ПК по интерфейсам USB, LAN и GPIB
ПО FDCS позволяет проводить калибровку тюнеров различными способами, в том числе так называемую калибровку «на месте», которая позволяет проводить данную операцию сразу для входного и выходного тюнеров как для фундаментальной частоты, так и для гармоник непосредственно на зондовой станции в плоскости зондов. Это существенно экономит время и не требует проводить калибровку каждого тюнера по отдельности в коаксиальном тракте.
ПО FDCS предлагает современный и интуитивный пакет визуализации
- S-параметры можно просматривать в стандартном и пользовательском форматах
- Контуры дополнительно формируются по источнику и нагрузке
- Базовая визуализация Load Pull позволяет формировать развертки мощности или кривые импеданса с возможностью фильтрации результатов измерений.
- Расширенная визуализация Load Pull одновременно формирует развертки мощности и кривые импеданса, при этом кривые перечерчиваются с изменением задаваемой пользователем мощности входа/выхода/источника.
- На одной диаграмме Вольперта-Смита можно просматривать различные параметры. Графическое представление может быть выполнено в 2D или 3D формате.
- Расширенные возможности фильтрации позволяют вводить данные при различных разрешениях, чтобы ограничивать измеренные импедансы до тех, которые соответствуют конкретным критериям.
В ПО Auriga реализовано удобное управление параметрами импульсов затвора и стока, радиочастотного импульса, а также измерительными временными окнами.
Получение компактных моделей транзисторов
Компактные модели транзисторов, которые построены на результатах измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и S-параметров, могут быть получены с помощью ПО Compact Model Generator.
Программное обеспечение Compact Model Generator позволяет проводить экспорт полученной компактной модели в САПР ADS.
Получение поведенческих моделей транзисторов
Для экстракции поведенческой модели транзистора используется программное обеспечение Model Generator. Данное программное обеспечение поддерживает поведенческие модели типа Cardiff+, работает в режиме постобработки результатов измерений и позволяет проводить экспорт модели в САПР ADS.
