固态微波器件防自激测试夹具研究

(工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610)

固态微波器件能够实现微波功率的发射、放大、控制和接收，在射频和微波通信系统中发挥着至关重要的作用，广泛应用在电子对抗、卫星系统、雷达系统等方面[1-2]。随着设计和制造技术的发展，固态微波器件不断向着大功率、高频率、高效率等方向发展，对器件的精确测试也提出了更高的要求和挑战[3-4]。目前固态微波器件测试面临的主要挑战是易产生自激振荡，这会使器件不能稳定工作，甚至导致器件过热或击穿，造成永久性的失效[5]。如何消除自激振荡已成为固态微波器件领域的研究重点。

良好的测试夹具设计可以有效防止自激振荡现象的发生，但是目前微波器件测试夹具研究主要侧重于测试校准、批量化测试夹具设计、测试夹具对器件测试影响分析等方面，很少有文献涉及固态微波器件防自激测试夹具设计方法的研究。王文娟等[6-7]通过分析固态微波器件测试误差的来源，利用校准技术，有效消除测试仪器和测试夹具引入的误差，实现参数的精确测试。雷静[8]针对非同轴微波器件接口，设计了分体式测试夹具，同时解决了去嵌入问题。王弘英等[9]通过系统分析测试夹具对微波晶体管测试的影响，指出可以通过夹具设计来消除自激现象。行业亟需合理有效的固态微波器件防自激夹具设计准则，支撑器件的精确测试。

本文通过分析自激振荡的产生机理，在测试夹具设计方案中引入自激振荡的消除措施，提出了固态微波器件防自激测试夹具设计准则，同时开展测试验证。

1 自激振荡产生机理

1.1 自激振荡分类

自激振荡是指附加在所需信号上一种不希望产生的振荡，又称为寄生振荡。一旦固态微波器件产生自激振荡，它们的性能就会受到严重破坏，甚至损坏[10]。

自激振荡根据起振原因的不同，主要可以分为低频振荡、参数振荡和负阻振荡三类。低频振荡的产生主要是由于固态微波器件的增益通常随着频率的降低以每倍频程3～5 dB的比例增加，一旦形成低频谐振电路，便有可能引起低频自激振荡。参数振荡是指固态微波器件寄生参数(寄生电感、寄生电容和各种损耗)变化引起的自激振荡，通常为高频振荡。负阻振荡是指将具有负阻特性的器件接入谐振回路时会抵消回路中的损耗电阻，从而产生的持续振荡。

随着固态微波器件设计和制造技术的进步，寄生参数及负阻器件对测试的影响越来越小，目前低频振荡已成为固态微波器件测试中最主要的自激振荡现象，也是造成器件在调试过程中烧毁的最主要原因之一[5，10-11]。因此本文的研究重点主要集中在低频振荡。

1.2 低频振荡的产生机理

以目前应用最广泛的微波功率晶体管为例，固态微波器件低频振荡的具体产生原因主要有以下三类:

(1)热反馈效应

热反馈效应指微波功率晶体管在较高温度下本征激发大大增加，导致杂散发射少子的运动失常，使其偏离额定工作状态，引起自激振荡。

结温对于微波功率晶体管的可靠性有着极其重要的影响。随着结温的升高，器件的失效率呈指数上升。当外界温度较高，致使微波功率晶体管内部温度超过允许的最高结温200℃时，其工作能力会发生不可恢复的突然丧失，或引起管子特性不可恢复的恶化。

(2)电源馈电网络

电源的馈电网络是微波功率晶体管输出匹配电路的一部分，其分布参数将影响功率管的工作状态。当电源去耦不良时，外界微小的干扰就可能引起微波功率晶体管自激振荡。电源的纹波过大，也有可能引起微波功率晶体管负载特性的变化而导致自激振荡。

(3)耦合场的外回馈

微波功率晶体管输出端泄漏的微波信号通常通过极间电容耦合到输入端。当晶体管增益较高时，输出的耦合信号与输入信号幅度接近。一旦两者相位也相近，就会构成正反馈，导致自激振荡。

多级微波功率放大器中，由于级间匹配电路的输入端和输出端都是与相邻放大器的输入/输出端相连，而功率管的输入/输出阻抗随功率电平变化。因此在级间匹配电路很难实现全频带的良好匹配，在某些频率点前后级会产生失配，这样就比单级放大器更容易产生自激振荡。

2 防自激测试夹具设计准则研究

在固态微波器件测试中，测试夹具作为测试仪器与被测器件之间的桥梁(见图1)，主要用于实现固定被测件、馈电以及信号同轴传输转微带传输等功能，一般由射频传输线路和偏置网络两部分组成。

图1 固态微波器件测试夹具原理图Fig.1 Schematic diagram of test-fixtures of solid state microwave devices

为有效消除固态微波器件测试中的自激振荡现象，从自激振荡产生机理出发，通过在测试夹具的设计方案，特别是偏置网络的设计中，针对性地引入自激振荡的消除措施，形成防自激测试夹具设计准则如下:

(1)改善器件散热

为避免固态微波器件发生热反馈效应进而导致低频振荡，需要在测试夹具的设计中做好散热工作。通过良好的散热设计(如图1所示增加热沉)来消除热反馈效应，以避免器件长时间过热工作产生自激振荡。

(2)改善电源馈电网络

当电源去耦不良或者波纹过大时，都有可能引起固态微波器件的自激振荡。为了滤除电源杂波的干扰，需要在直流馈电点并联到地去耦电容，如图2中的C3和C4所示。实际测试中，去耦电容通常采用大容量电容和小容量电容组合并联对地使用，以便在很宽的频率范围降低电源对地的阻抗。在布局上，为减少布线的阻抗，一般把小容量的电容器安置在紧靠电路的边上[12]。通常会在直流通路放置λ/4传输线，阻止微波信号的通过，以减小电路插入损耗(见图2)。

同时为改善栅极输入的稳定性，直流接入点和λ/4传输线之间通常会串联电阻(见图2中的R1)，由于栅极为肖特基接触，没有电流流过，因此在此电阻上不消耗功率。由于漏极输出电流通常较大，无法使用串联电阻，因此通常通过并联电阻和电容串联的RC网络以提高稳定性(见图2中的R2和C5)。

(3)设置隔直流电路

设置隔直流电路的目的是通过降低振荡回路的Q值以破坏自激振荡的产生条件;同时防止直流信号通过偏置电路输入交流设备中导致仪器损坏。目前通常在50 Ω传输线上串联隔直电容来实现，见图2中的C1和C2。

(4)确保偏置网络具有较好的传输和反射特性

为了保证测试结果的准确性，同时有效消除自激振荡，选择的偏置电路在全频段的反射系数要尽可能小，一般建议小于-20 dB;插入损耗要尽可能大，一般建议大于-3 dB。

(5)输入输出阻抗应匹配

微波功率晶体管阻抗一般不是50 Ω特征阻抗，在测试过程中要考虑对输入输出阻抗进行匹配以获得最佳性能[9]。

图2 微波晶体管推荐偏置电路Fig.2 Commend bias circuit of microwave transistors

3 测试验证

3.1 防自激测试夹具设计

针对典型GaN内匹配功率管，依据防自激测试夹具设计准则，开展测试夹具设计。内匹配功率管是目前微波功率晶体管的主流应用形式，产品管壳内已经封装了匹配电路，器件的输入和输出阻抗已经转换到50 Ω。器件工作频率为5.3～5.9 GHz，输出功率为50 dBm(即100 W)，偏置电路如图2所示，VDS=28 V，VGS=-2.6 V。

根据GaN微波功率晶体管的产品特性和工程实践经验，选取去耦电容C3=C4=1000 pF，栅极串联电阻R1=100 Ω，隔直电容C1=C2=10 pF，R2=50 Ω，C5=1000 pF。制作偏置电路的基板材料采用Rogers 5870，介质层厚度为0.508 mm，金属微带厚度为18 μm。由于栅极只有很小的漏电，因此输入λ/4传输线宽度仅为0.25 μm。考虑到器件工作状态下漏极电流较大，输出λ/4传输线宽度为1 mm。

利用ADS软件对输入输出偏置电路开展仿真，通过调节扇形微带电容的角度和半径，使电路的频带特性和传输特性达到最优。通过优化，使得输入输出偏置电路具有很好的传输和反射特性:在5.3～5.9 GHz的频率范围内，输入偏置电路和输出偏置电路的S11(输入反射系数)和S22(输出反射系数)均小于-20 dB，S21(插入损耗)小于0.1 dB。同时考虑器件功率较大，在测试盒体下面增加了热沉用于提高器件的散热。设计的防自激测试夹具实物照片如图3所示。

3.2 测试结果与分析

为验证防自激测试夹具的有效性，搭建固态微波器件测试系统开展测试验证。测试系统的原理图和照片分别如图4和5所示。测试系统由E3649A直流电源、IT6952A直流电源、E8267D信号源、20S4G11A功率放大器、N5224A网络分析仪、N9030A频谱仪、N1911A功率计等设备组成。

图3 防自激测试夹具实物照片Fig.3 Photograph of anti-self-oscillation test-fixtures

图4 固态微波器件测试系统原理图Fig.4 Schematic diagram of test system of solid state microwave devices

图5 固态微波器件测试系统照片Fig.5 Photograph of test system of solid state microwave devices

器件测试条件如下:工作频率f为5.3，5.6，5.9 GHz，输入功率为40～44 dBm，脉宽为300 μs，占空比取10%。在测试前需要对固态微波器件测试系统进行输入、输出以及夹具校准，测量各频点下的夹具损耗，通过修正以保证测试结果的准确性。

首先在不使用防自激夹具的情况下开展测试，器件多次出现自激振荡现象，不能稳定工作，无法准确读取参数值。

接着利用防自激夹具开展测试，器件多次重复测试未出现自激振荡，测试结果一致性好，器件各参数值如表1所示。

表1 测试结果Tab.1 Test results

从表1可以发现，器件各项参数指标均满足其技术要求:在3个频点的输出功率均大于51 dBm，峰值工作电流不小于8.6 A，表明产品具有良好的输出特性;3个频点功率增益都在8 dB以上，功率增益平坦度均为±0.05 dB，表明产品具有良好的交流功率放大特性;3个频点功率附加效率都大于49%，表明产品在直流功率转换为交流功率方面具有良好的功率转换效率。

4 结束语

为解决固态微波器件测试中的自激振荡问题，本文通过系统分析自激振荡产生机理，研究制定自激振荡消除措施，提出了固态微波器件防自激测试夹具设计准则，为防自激夹具的研制提供借鉴和指导，有助于实现固态微波器件的精确测试。实验结果验证了本文提出设计准则的可行性，后续将针对固态微波器件批量化测试需求，研究分体式防自激测试夹具。