本文基於負載牽引係統，采用簡單、便捷以及可重複使用的理念，使用常規的微帶線階梯型阻抗變換器電路為基礎，充分考慮在應用測試中的偏置電路，進行前期使用ADS（Advanced Design System）仿真加後期驗證
，設計製造了低耗無串擾的TRL（Though Reflected Delay）校準件，為測試得到射頻大功率器件的射頻性能奠定了優異的基礎。

 

隨著通信的日益發展以及半導體功率器件研究和生產技術的突飛猛進，上世紀90年代末以前主要以矽雙極型晶體管和砷化镓場效應管為核心的射頻微波功率放大器正被增益、線性度和輸出功率等方麵更加優秀的產品所取代（矽基射頻LDMOS以及氮化镓場效應管）。這同時也對這些新技術
、新產品的性能評估提出了更高的要求。目前國內以945-960 MHz頻段的RF LDMOS功率管產品（單裸管芯輸出功率達到180瓦，線性增益達到19dB
，效率達到70%，電壓駐波比達到10:1）已經達到了實業化的目標。較之於傳統上常用的SOLT校準（適用於同軸校準），TRL校(xiao)準(zhun)對(dui)於(yu)在(zai)非(fei)同(tong)軸(zhou)環(huan)境(jing)下(xia)進(jin)行(xing)射(she)頻(pin)大(da)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)測(ce)試(shi)來(lai)說(shuo)是(shi)一(yi)種(zhong)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)的(de)校(xiao)準(zhun)方(fang)式(shi)。這(zhe)種(zhong)校(xiao)準(zhun)方(fang)法(fa)的(de)優(you)點(dian)在(zai)於(yu)其(qi)校(xiao)準(zhun)準(zhun)確(que)度(du)隻(zhi)依(yi)賴(lai)於(yu)傳(chuan)輸(shu)線(xian)的(de)特(te)征(zheng)阻(zu)抗(kang)而(er)不(bu)是(shi)其(qi)他(ta)標(biao)準(zhun)

，反(fan)射(she)標(biao)準(zhun)的(de)反(fan)射(she)係(xi)數(shu)和(he)傳(chuan)輸(shu)係(xi)數(shu)的(de)長(chang)度(du)都(dou)可(ke)以(yi)在(zai)校(xiao)準(zhun)中(zhong)由(you)計(ji)算(suan)得(de)出(chu)
，很(hen)好(hao)地(di)避(bi)免(mian)了(le)一(yi)些(xie)測(ce)試(shi)板(ban)引(yin)入(ru)的(de)誤(wu)差(cha)，更(geng)能(neng)準(zhun)確(que)地(di)反(fan)映(ying)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)性(xing)能(neng)。

 

TRL校準件的要求

 

基於目前通用的射頻測試板材，我們選用4350B型板材，這種板材製造標稱的介電常數εr = 3.48，損耗因子為0.0037，板材厚度選取30mil，走線銅厚選取17μm。此次需要完成的目標頻段是2.0GHz~2.5GHz，製作出來的Reflect、Though以及Delay校準件均能滿足在此頻段內反射係數Г（S11）<-10dB
，傳輸係數T（S22）<-0.9dB。器件根部原始設計阻抗根據經驗設定為2.5Ω，測試電路輸入輸出端口設計阻抗為通信係統設備通用的50Ω，端口采用常用的SMA型端子作為射頻信號輸入輸出的物理接口。

 

TRL校準件的構建

 

因為最終目的是為基於Load-Pull係(xi)統(tong)的(de)器(qi)件(jian)做(zuo)阻(zu)抗(kang)提(ti)取(qu)和(he)性(xing)能(neng)評(ping)估(gu)
，對(dui)於(yu)校(xiao)準(zhun)件(jian)的(de)版(ban)圖(tu)設(she)計(ji)基(ji)本(ben)需(xu)考(kao)慮(lv)通(tong)用(yong)性(xing)和(he)成(cheng)本(ben)，即(ji)在(zai)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)主(zhu)路(lu)采(cai)用(yong)微(wei)帶(dai)線(xian)階(jie)梯(ti)型(xing)阻(zu)抗(kang)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，還(hai)需(xu)要(yao)在(zai)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)考(kao)慮(lv)器(qi)件(jian)應(ying)用(yong)時(shi)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)電(dian)路(lu)。

 

Part 1 射頻信號主路設計

 

1、射頻信號主路設計由於從器件根部的2.5Ω變換到測試電路輸入輸出端口的50Ω
，而且需要實現2.0GHz~2.5GHz的頻段跨越，為了確保在寬頻帶上能獲得良好的匹配性能，因此設計階梯為4級，對應設計的中間變換阻抗為：5Ω、10Ω、20Ω。可以采用下麵的阻抗計算公式計算：

 

 

其中，W為線寬，T為銅線厚度，εr為板材的介電常數。

 

在此我們運用Linecalc這個小軟件來計算和確定微帶線寬度，如圖1所示。

 

通過軟件計算得出微帶線寬度與設定阻抗的關係如表1：

 

圖1：ADS微帶線計算工具

 

表1：ADS微帶線計算結果

 

2
、射頻信號主路設計的微帶線長度的設計思路為使用不定長度傳輸微帶線多階梯阻抗變換器（圖2）。根據傳輸線理論：第i節的輸入阻抗公式為：

 

 

zheyangjiukeyishiyongdituifajisuanchumeiyijieweidaixiandechangdu。zaiciyouyukaolvzhenggexiaozhunjianshiyigezhengti

，yijihaicunzaiquchupianzhidianludeyingxiangyijizhenggexiaozhunjianbuyizuodetaidadewenti，yinciduiyumeiyijieweidaixiandechangdu，womenjiangshiyongADS的S-parameter調諧仿真，以及Layout之後的Momentum仿真
，從整體上對微帶線的長度和寬度進行調節
，以達到能實現設計目標的要求。

 

圖2：階梯阻抗變換器

 

Part 2 直流偏置電路

 

直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)電(dian)路(lu)為(wei)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)主(zhu)路(lu)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)，其(qi)設(she)計(ji)的(de)好(hao)壞(huai)將(jiang)影(ying)響(xiang)放(fang)大(da)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)
，尤(you)其(qi)是(shi)漏(lou)極(ji)偏(pian)置(zhi)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)。一(yi)般(ban)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)需(xu)要(yao)遵(zun)循(xun)的(de)三(san)個(ge)原(yuan)則(ze)：

 

（1）偏置電路對信號主路影響要盡量的小，即不引入較明顯的附加耗損
、反射以及高頻信號沿偏壓電路的泄露。

 

（2）為了偏置電路存在的大電流，需要考慮合理的偏置線寬度。

 

（3）盡量結構緊湊，簡單。

 

基於直流偏置電路的三個原則
，我們選擇四分之一扇形開路線（即四分之一波長開路短截線的變形）
，這樣能夠很好滿足三原則的要求。扇形微帶短截線電抗可以由下列關係式出[5]：

 

 

在公式(3) 中，Ji(x)和Ni(x)是第一類和第二類貝塞爾函數，α扇形微帶短截線的角度，εre是等效介質常數
，λ0為自由空間波長，r1和r2是扇形微帶線的內、外半徑

，hW分別是介質基片的厚度和微帶寬度，We是扇形短截線等效為微帶線的寬度。

 

genjushejidesanyuanze，pianzhixiankuandudesheji
，youqishiqijianlouduandepianzhixianxiankuandesheji
，xuyaowomenkaolvdianliuchengzainengli，tongshiyexuyaokaolvdeshizhiliupianzhitongxianbixuweijinliangxidegaozuxian
，yinweizheyangnengjianshaopianzhidianluduiyuzhuludeyingxiang。namegenjubiao2中銅箔寬度與承載電流的關係，我們就可以進行選擇。在此設計中我們考慮電流承受能力在1.2A左右，所以使用0.762的線寬也將電流承載能力的餘量考慮在我們的設計中。

 

表2：銅箔寬度與承載電流的關係

 

TRL校準件的仿真與驗證

 

Part 1 校準件的仿真

 

通過上述對於整個TRL校準件的設計考慮，使用ADS工具，我們得到了本次根據仿真電路得出的可用於實際製作的PCB版圖

，以及使用ADS的Momentum仿真出來的結果。

 

圖3中的S11和S21各有三條線段，分別代入Though、Reflect、Delay三塊校準件的反射係數和傳輸係數。考察2.0GHz、2.25GHz和2.5GHz三個典型頻點的值，在S11的曲線圖上
，除Delay在2.0GHz點上隻達到了-11dB，其餘均低於-15dB；同樣在S21的曲線圖上
，除Delay在2.0GHz點上接近於-0.9dB，其餘均高於-0.7dB。應該說2.0GHz～2.5GHz這個頻段內很好的達到了設計目標。

 

圖3：TRL校準件Momentum仿真圖

 

ADS這個軟件在仿真、優化過程中有著優異的性能，對於比較高要求和挑戰的性能指標能夠做好預先仿真，並實現PCB版圖電路，減少了工程反複和硬件材料的浪費
，降低了設計成本，是一個很好的射頻工程應用工具。

 

Part 2 校準件的驗證

 

校準件的驗證分兩步進行，第一步是對校準件直接進行小信號測試驗證
，第二步是使用頻率在 2.0GHz~2.5GHz之間的器件，在配合Load-Pull係統找到器件封裝根部阻抗後，再通過普通射頻電路測試板的匹配來驗證校準件是否符合設計要求。

 

1
、校準件小信號參數的驗證

 

在完成TRL校準件的加工之後，我們將TRL校準件中的Though校準件和Delay校準件在Agilent的N5241A網絡分析儀上進行小信號參數的測試，采用其結果與仿真結果進行對比。圖4中上麵的圖為“Though校準件”的S11和S21的頻率掃描圖，下麵的圖為“Delay校準件”的S11和S21的頻率掃描圖。從結果來看

，“Though校準件”和“Delay校準件”的S11最大值均低於-12dB，S21的最大值均高-0.84dB。其測量結果與仿真結果基本一致
，從測試值來講還略優於仿真的結果。

 

圖4：TRL校準件S參數實測

 

2
、器件的校驗

 

在此我們選取了一顆工作頻率在2.45GHz，功率30W的RF-LDMOS，並已在封裝內完成輸入兩級匹配的器件來進行驗證。通過與Focus的Load-pull的校準和測量，我們得到的封裝器件的根部阻抗為：

 

輸入端：11.669 - 59.755j；

 

輸出端：5.941 + 22.597j

 

使用測量得到的器件根部的阻抗值，我們對符合器件的射頻電路測試板進行了匹配，見圖5。測試板的小信號測試曲線見圖6。對比使用TRL校準件得到的器件性能與射頻外圍電路測試板得到的器件性能，可以得出表3。

 

表3的數據顯示了使用TRL校準件測得的是器件根部阻抗以及在此阻抗下得到的器件性能。與根據根部阻抗進行的射頻電路測試板匹配後的器件性能比較，其增益、功率和效率基本一致。

 

圖5：24030器件射頻測試電路

 

圖6：TRL校準件小信號測試曲線

 

表3：TRL校準件得到的24030器件根部阻抗以及性能測試對比

 

結語

 

上文關於TRL校準件的設計和製作很好地完成了既定的目標，實現了高頻下射頻大功率器件的TRL校準，同時我們也看到
，TRL校準件的設計涉及的很多方麵和細節需要很好的梳理和把握。當然，一個好的TRL校準件的設計和製作還需要考慮更多的封裝的兼容以及更寬頻率的覆蓋，這個也是我們將要努力的方向。

 

本文轉載自：射頻百花譚

作者：李樹琪 蘇州遠創達

 

 

推薦閱讀：