технический университет им. Р. Е. Алексеева
УДК 621.317.621.3.029.6
ИЗМЕРЕНИЕ S-ПАРАМЕТРОВ СВЧ-ТРАНЗИСТОРА ПРИ ВЫСОКИХ УРОВНЯХ МОЩНОСТИ МЕТОДОМ ПРОСТРАНСТВЕННО УДАЛЕННОЙ НАГРУЗКИ
LARGE SIGNAL MICROWAVE TRANSISTOR S-PARAMETERS MEASUREMENTS USING SPATIALLY REMOTE LOAD
1) Никулин Сергей Михайлович
д-р техн. наук, профессор E-mail: nikulin-serg2006@yandex.ru
2) Торгованов Алексей Игоревич
инженер тех. поддержки
E-mail: alexey.torgovanov@rohde-schwarz.com
1) Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород
2) ООО "РОДЕ И ШВАРЦ РУС", Нижний Новгород
Аннотация: На основе данных, полученных при измерении S-параметров СВЧ транзистора в контактном устройстве методом пространственно удаленной нагрузки, определены входной и выходной импедансы в режиме комплексно-сопряженного согласования. В САПР Microwave Office построена модель усилителя в виде каскадного соединения транзистора с входным и выходным тюнерами импеданса. Результаты моделирования сравниваются с экспериментальными данными, полученными на натурном макете усилителя. Ключевые слова: нелинейная цепь, S-параметры, измерения, метод пространственно переменной удаленной нагрузки, векторный анализатор цепей, тюнер импеданса, усилитель СВЧ.
ВВЕДЕНИЕ
Транзисторные СВЧ-усилители мощности определяют такие параметры радиотехнических систем, как излучаемая и потребляемая мощность, ширина полосы рабочих частот, габариты, масса и другие. При проектировании усилителей, для того чтобы синтезировать входные и выходные согласующие цепи, требуется определить S-пара-метры транзисторов при больших выходных мощностях и нелинейных режимах работы. Известны такие способы решения этой задачи, как метод переменной нагрузки [1], "горячие S22" [1, 2] и применение Х-параметров [3]. Метод переменной нагрузки требует большого времени измерений и может привести к повреждению транзистора в
!) Nikulin Sergey M.
D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: nikulin-serg2006@yandex.ru
2) Torgovanov Alexey I.
Engineer Technical Support
E-mail: alexey.torgovanov@rohde-schwarz.com
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod
2) Rohde & Schwarz RUS LLC, Nizhny Novgorod
Abstract: The article deals with S-parameters measurements of microwave transistor in test fixture using spatially remote load method. The microwave amplifier was designed in Microwave Office using this data. Practical realization of amplifier was made on manual impedance tuners. In conclusion comparison of design and practical results were given.
Keywords: nonlinear circuit, large signal S-parameters, measurement, identification, spatially remote load, vector network analyzer, impedance tuner.
режиме автогенерации при перестройке тюнеров импеданса. Метод "горячих S22" не обеспечивает полную векторную коррекцию из-за отсутствия информации об обратном коэффициенте передачи S12, а X-параметры характеризуются высокой стоимостью нахождения и сложностью освоения в инженерной практике. Кроме того, тюнеры импеданса ограничивают допустимые значения входных мощностей, подаваемых на транзистор, из-за возможности возникновения пробоя в области подвижной отражающей неоднородности емкостного типа.
Метод пространственно удаленной переменной нагрузки для определения S-параметров транзисторов при больших уровнях мощности выход-
ВАЦ ZVA24
Trc3 S21 dB Mag 5 dB/Ref 20 dB Cal
■О-
Port 1
Meas. Rx
Ref. Rx
и
Port 2
Meas. Rx
Ref. Rx
и
40
35 30 25 20 15 10 5 0
S21 M1 1,000000 GHz 17,293 dB
\
V
[1
—
Chi Start 10 MHz Pb -20 dBm Stop 5 GHz
Trc4 ai(Pis) dB Mag 5 dB/Ref -5 dBm Trc5 a2(P1s) dB Mag 5 dB/Ref 5 dBm Trc6 S21 dB Mag 1 dB/Ref 14 dB Cal 4
Ch2 Pb Start -25 dBm 3/8/2014, 9:37 AM
fb 1 GHz
Stop 10 dbm
Рис. 1. Схема и результаты измерений параметра S21 и амплитудной характеристики
3
ного сигнала был изложен в работах [4, 5], а его практическая реализация — в работе [6]. Метод отличается простотой, не требует использования дорогой аппаратуры, существенно сокращает временные затраты и защищает транзистор от повреждения при работе с тюнерами импеданса. Целью данной работы является оценка эффективности метода для проектирования мощных усилителей СВЧ.
АНАЛИЗ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Вначале по амплитудной характеристике транзистора определяют уровни мощности входного сигнала, при которых проявляются нелинейные свойства транзистора. Границей между линейным и нелинейным режимами принято считать уровень входной мощности, при которой компрессия коэффициента передачи составляет 1 дБ. Для получения амплитудной характеристики транзистора проводят калибровку векторного анализатора цепей по мощности в соответствии со схемой, изображенной на рис. 1. Схема измерений состоит из анализатора ZVA24, источника питания Hameg HMP2020, датчика мощности NRP-Z52 и калибровочного набора ZVZ 235 (на рисунке не показан). Транзистор BFP450 компании Infineon устанавливался в полосковую линию передачи в контактное устройство с коаксиально-полосковыми переходами (рис. 2). Питание по постоянному току подводилось через коаксиальные кабели анализатора цепей. Для выбора рабочего режима транзистора измерялся коэффициент передачи $21 на
линейном (Рвх = —20 дБм, F = 10 МГц...5 ГГц, A F = 10 МГц) участке амплитудной характеристики. Входная мощность изменялась в пределах от —25 до +10 дБм. Результаты измерений также показаны на рис. 1. По результатам измерений были определены оптимальный режим питания транзистора (ГБЭ = 0,865 В; Гкэ = 3 В) и точки компрессии Рхдв = +2 дБм; Р2дб = +4 дБм; Р5дБ = +8 дБм.
ИЗМЕРЕНИЕ S-ПАРАМЕТРОВ МЕТОДОМ ПРОСТРАНСТВЕННО УДАЛЕННОЙ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКИ
В работе [6] показана эффективность метода пространственно удаленной нагрузки для определения S-параметров нелинейной цепи на примере малошумящего усилителя (Mini-Circuits ZRL-2400LN). В случае измерения транзистора в полосковой линии передачи задача несколько упрощается в силу заметного отличия его импедансов от стандартного волнового сопротивления 50 Ом и меньшего динамического диапазона, в котором
Рис. 2. Контактное устройство
ВАЦ ZVA24
L
-О-
Port 1
Meas. Rx
Ref. Rx
Г"
t\ ч
t
L NRP-Z52 <
О
-a
Port 2
Meas. Rx
Ref. Rx
HMP2020
a
?
"HS
k-Q-}
Рис. 3. Система измерения 8-параметров методом пространственно удаленной переменной нагрузки
определяется обратный коэффициент передачи. Стенд и схема измерений параметров транзистора показаны на рис. 3. Эффект переменной нагрузки создавался с помощью трансформатора полных сопротивлений ТС2-12.
Процесс определения S-параметров и обработки результатов измерений с использованием алгоритмов фильтрации данных подробно описан в работе [6].
С математической точки зрения особенность решаемой задачи состоит в слабой обусловленности системы уравнений в комплексной области и скачкообразном изменении фазы искомых величин на 180 градусов при перестройке частоты электромагнитных колебаний. Поэтому следует использовать представление S-параметров в виде их реальных и мнимых частей, являющихся непрерывными функциями частоты.
Обработка данных с помощью программного обеспечения в среде NI LabView позволяет осуществить: считывание/запись файлов в формате toucstone, фильтрацию данных в частотном окне с применением робастных методов и сглаживающих алгоритмов, графический вывод результатов на экран в различных форматах. Интерфейс программы показан на рис. 4.
Рис. 4. Интерфейс программного обеспечения для определения S-параметров методом пространственно удаленной переменной нагрузки
МОДЕЛИРОВАНИЕ В САПР MICROWAVE OFFICE И НАТУРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Транзистор в контактном устройстве был измерен методом удаленной переменной нагрузки с компрессией 2 и 5 дБ. На основании полученных данных выполнен расчет его S-параметров. Далее в САПР Microwave Office для каждой частотной точки рассчитаны входной и выходной импедан-сы в режиме комплексно-сопряженного согласования. Модель усилителя была построена с использованием массива S-параметров и модели идеального тюнера, который подключался на входе и выходе модели транзистора и имел импедансы, соответствующие режиму комплексно-сопряженного согласования. Физическая модель усилителя (рис. 5) представляла собой каскадное соединение контактного устройства с транзистором и трансформаторов сопротивлений ТС2-12. Трансформаторы сопротивлений имели импедансы, соответствующие режиму комплексно-сопряженного согласования. Функцию нагрузки выполнял второй порт анализатора цепей. Калибровка ВАЦ ZVA24 по мощности проводилась в референсных плоскостях, соответствующих входу и выходу контактного устройства, с помощью термального датчика мощности NRP-Z52 (рис. 5).
Результаты натурного эксперимента (ВАЦ) и моделирования в Microwave Office (MWO) приведены в таблице, где представлены основные технические характеристики для транзистора в несогласованном и согласованном (индекс с) режимах: Ку — коэффициент усиления, дБ; Рвх и Рвых — соответственно входная и выходная падающие мощности, дБм; GM1 и GM2 —входной и выходной коэффициенты отражения в режиме комплексного согласования соответственно; V^e — напряже-
Результаты натурного эксперимента (ВАЦ) и моделирования в Microwave Office (MWO)
Параметр Компрессия 2 дБ Компрессия 5 дБ
ВАЦ MWO ВАЦ MWO
Ку, дБ Кус, дБ
Рвх/Рвх.с, ДБм Рвых/Рвых.с, дБм
GM1 GM2
9,72 12,83 4,14/3,8
13,88/16,71 0,57; 65° 0,39; 75°
10,10 12,07
9,91 11,80 8,23/7,98
18,14/19,68 0,56; 75 0,29; 26
9,5 11,51
Vbe/Vbe.c В
Питание по постоянному току
ю.с, Ibe/Ibe.c, Vce/ ^ce.c, ^e/^ce^ мА Лтр дб/л сог дБ
В
0,865/0,865 0,60/0,50 3,00/3,00 65,00/64,00 11,19/
0,865/0,865 0,70/0,50 3,00/3,00 67,50/59,50 /48,11
ВАЦ ZVA24
-о-
Poitl
Meas. Rx
Port2
Meas. Rx
NRP-Z521< £
O
Ref. Rx
t\
HMP2020
¿ чч (f) // t
1 U
1
Плоскости калибровки мощности
Г
Рис. 5. Физическая модель усилителя с трансформаторами сопротивлений
ние база—эмиттер, В; /Ье — ток база—эмиттер, мА; РСе — напряжение коллектор—эмиттер, В; /се — ток коллектор—эмиттер, мА. Из
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.