高驻波比的调谐器助力负载牵引测试

对于器件或组件的优化，负载牵引系统特别有效，该系统可以找出晶体管或放大器在最大输出功率或最佳效率时的负载阻抗匹配状态。Maury公司推出的高反射系数调谐器HGT(High-Gamma-Tuner)把负载牵引测试带入了一个新时代，该系统首次实现了输出功率为+35dBm、GSM/EDGE射频信号状态下的片上(On Wafer)晶体管测试。该自动调谐器具备很宽的驻波比(反射系数)调节范围，并且损耗极小，因此可以有效的减小晶体管、放大器和模块建模的不确定度，并有效减少工艺研发时间。其频率范围覆盖825MHz到6GHz。

新型HGT负载牵引系统(图1)，可以在真正的大信号激励下，完成整片晶圆的片上测试。该系统有助于理解器件在真正的无线系统(如GSM/EDGE)中的实际表现，如线性功率、功率附加效率PAE(power-added efficiency)、邻信道功率比ACPR(adjacent-channel power ratio)、邻信道泄漏比ACLR(adjacent-channel leakage ratio)、矢量幅度误差EVM(error vector magnitude)以及码域功率CDP(Code Domian Power)等等。和以前的多探针、预匹配(prematched)调谐系统相比，新系统可以将负载牵引相关的测试时间减少10倍。HGT系列自动负载牵引系统在实际工作时，可以调谐到很高驻波比状态，并且工作状态稳定，抖动极小。对于阻抗小于1Ω的器件，该系统(片上或装架测试)可以调谐到150:1的驻波比。该系统通过标准的USB接口和外部计算机连接。

HGT系列负载牵引系统的频率范围覆盖825MHz到6GHz，其中MT981HUx1型号的工作频率范围为825MHz到5.5GHz，MT981HUx2系统则为1.8到6.0GHz，两种系统的都提供了多种同轴系统接头，包括3.5mm、7mm、14mm、N型、和7/16型接口。两种系统都可以承受200瓦的连续波功率和2.5千瓦的峰值包络功率PEP(peak envelope power)，在整个Smith原图上，其典型可重复性为-40dB，最大驻波比可达1.05:1，最大插损为0.3dB。

为了演示HGT系统的效果，下面采用一个具体的实例说明。例子中使用的是一个用于GSM/EDGE的高级异质结双极型晶体管HBT(heterojunction-bipolar-transistor)，需要注意的是：在+3.2V_DC供电下，GSM负载牵引系统需要的负载线(loadline)大约为1Ω或更小，去除探针损耗的影响，这意味着负载牵引系统需要提供150:1的驻波比。图2显示的是探针尖端在900MHz时，调谐器的调谐范围，从图中可以看出HGT系统可以轻松地提供GSM/EDGE应用所需的低阻抗匹配负载。

下面的实例采用RFMD提供的高性能HBT芯片，该芯片提供片内偏置电路，在900MHz频率下进行片上负载牵引试验。图3为HGT系统的详图：包括安捷伦科技提供的合成信号源和信号质量测量系统——Agilent Connected Solutions，以及Cascade Microtech公司的探针台系统。Cascade公司为HGT系统提供两个系列高功率、低插损探针，其中ACP-L系列主要面向砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)片上测试，而InfinityHC系列针对硅器件(例如LDMOS功率管)。两个系列的探针的插损约为0.1dB，能承受+40dBm的射频连续波功率。

使用Maury公司的ATS 4.00 Advanced Sweep Plan系统可以自动得出器件的最佳输入/输出阻抗和偏置状态，无需任何人工干预。Advanced Sweep Plan系统可以自动在最大功率和最佳功率附加增益(PAE)之间求出平衡点：集电极电压V_cc=3.2V，集电极电流I_ceq=300mA，源阻抗Z_source=8.6+j5.4Ω，负载阻抗Z_load=1.3+j2.7Ω。图4a和4b分别为跨导增益、PAE与输出功率的关系。HGT系统可以使晶体管片上输出+36dBm的连续波功率。作为一个额外的好结果，该晶体管还无需谐波负载牵引调谐(harmonic loadpull tuning)，即可达到80%的PAE。随着无线通信频率的不断升高，以及高效率的设计的出现(例如Class E和Class PFS电路结构的出现)，谐波负载牵引调谐的重要性不断减弱。

使用相同的HBT晶圆，在900MHz的EDGE信号激励下，同样使用Maury公司的Advanced Sweep Plan系统得出的晶体管最佳工作状态为：V_cc=3.4V，I_ceq=300mA，Z_source=8.1+j13Ω，以及Z_load=1.3+j4.4Ω。这里采用的专门的偏置电路设计，以保证EDGE信号包络的群时延为常数，并减小ACPR的不对称性。该实验最终得出的输出功率为+29dBm，在400KHz这个关键频偏点的ACPR为-60dBc，相应的PAE为40%，EVM为0.3%，远小于指标要求的3.0%。

随着下一代无线技术的发展，整个产品设计的流程都需要重新评估，从后端工艺到供应链管理，都需要优化。其中，后端工艺可优化的空间更大，因为其消耗更多的时间和资源。新产品的发布，很大程度上依赖工艺性能的发展，可以从缩短工艺研发时间中获利很多。Maury公司的HGT系统可以实现直接片上、高功率(+35dBm)、GSM/EDGE负载牵引测试，使晶圆性能评估的时间缩短10倍。基于该公司快速、精确、高重复性的测试工具，HGT系统是传统多探头、预匹配负载牵引系统的一次飞跃。

作者：Perry Li、Richard Wallace、Eric Kueckels、John F. Sevic、Gary R. Simpson

Maury Microwave公司