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安捷伦PNA-X非线性应用
矢量网络分析仪X参数和功率放大器的设计
Loren Betts，Dylan T. Bespalko，Slim Boumaiza
安捷伦科技，滑铁卢大学，加拿大
半导体技术的近期改进，例如横向扩散的金属氧化物半导体（LDMOS）和氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN-HEMT），正在使研究人员能够开发高性能的微波电路和系统。这些器件在非线性区域运行并正确连接时，会产生高效率的功率放大器（PA）。
这种发展强调了对射频（RF）晶体管的精确非线性特征和建模的需要，以实现高性能电路和系统的可预测设计。
应对这个困境的一个解决方案是安捷伦科技公司的PNA-X矢量网络分析仪，这是世界上最整体和灵活的微波测试引擎，用于在同轴，固定和晶圆环境中精确测量有源器件，如放大器，混频器和变频器（图1）。PNA-X具有可选的非线性矢量网络分析仪（NVNA）应用程序，可快速，准确地表征和设计有源器件和器件。屡获殊荣的安捷伦NVNA是业界首个用于设计非线性元件的可互操作的测量和仿真环境。使用PNA-X的NVNA，测量X参数，然后用于创建可以导入安捷伦高级设计系统（ADS）。X参数表示用于确定性，高频设计的新类别的非线性网络参数，可用于表征组件的线性和非线性行为。得益于PNA-X及其NVNA应用，工程师和科学家现在可以对非线性器件行为有最高的洞察力。 我们来看看吧。
利用安捷伦40年技术领先和射频网络分析创新的遗产，PNA-X提供出色的被动测量和各种有源测量（例如非线性，增益压缩，互调失真和噪声系数），并具有无与伦比的速度，准确性和灵活性的组合。提供五种频率范围：13.5,26.5,43.5,50和67 GHz，使今天的工程师能够实现更高水平的测试集成，以及缩短设置时间，测量复杂性，进行测量的时间和测试成本。 “X-parameters”是Agilent Technologies的注册商标。X参数格式和基础方程是开放和记录的。 有关更多信息，请访问：http://www.agilent.com/find/eesof-x-parameters-info。
图1
期望：非线性表征
当使用将部件置于非线性工作区域的刺激来驱动时，该部件可能产生包含多个光谱分量的失真的输入和输出电流和电压（或行波）。
尽管器件表征在给定的一组操作条件下提供了精确的性能信息，但提取晶体管的基于测量的仿真模型提供了全面的设计洞察力和灵活性。已经研究的两种替代的非线性器件建模方法包括紧凑和行为模型。
紧凑型模型是从设备测量数据生成的分析模型，适用于电路级设计的计算机辅助设计（CAD）仿真。它们不太适合于系统级仿真，其中设计可以包括许多电路级模型，并且其中所涉及的刺激包括复杂的调制信号。此外，它们对于高功率和非线性电路设计并不总是可靠的，因为它们通常导致预测性能和测量性能之间的不可容忍的差异。因此，微波电路工程师，特别是PA设计人员被迫选择有时不准确和模拟友好的紧凑型模型或不支持鲁棒模拟的基于显式测量的负载牵引技术。设计链中的“断开链接”显着增加了所需的成本和开发时间。将准确的器件行为模型带入仿真环境将使电路和系统设计人员能够系统地开发高级电路拓扑和系统架构。
X参数模型是一种复杂的行为模型，通过描述给定大信号操作条件下多端口器件上的输入 - 输出频谱之间的关系来描述部件的线性和非线性行为。X参数建模与负载牵引测量的最近集成允许PA设计人员开发可导入ADS的不匹配器件的基于测量的行为模型。
图2 PNA-X采用NVNA X参数大功率负载牵引测量配置
了解x参数测量系统
作为如何利用基于测量的X参数模型的示例，考虑完全在电路模拟器内部开发的AB类45瓦GaN放大器的设计。 在该实例中使用的测量系统如图2所示。该设置用于构造功率晶体管的X参数。 它与PNA-X与NVNA固件选件510（基本NVNA固件），选件514（X参数）和选件520（负载相关的X参数扩展）组合在一起。 Agilent U9391C相位参考还用于提供对于识别X参数系数至关重要的交叉频率相位校准信息。
除了NVNA之外，可能需要外部硬件来测量高功率不匹配晶体管的X参数。 PNA-X中的内部信号路由交换机允许其他测试设备通过网络分析仪的测试端口连接器连接到被测设备（DUT）（见下面的图3）。
图3
PNA-X中的内部信号路由交换机为添加信号调理硬件或用于单连接测量的附加测试设备提供了更大的灵活性。 它们还支持交替测量路径，重新路由信号路径以及添加放大器，滤波器和衰减器以优化系统设置。
表1 通用晶体管测量特性
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基本频率 |
1.2 GHz |
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谐波 |
3 |
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增益 |
15至20分贝 |
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输出功率 |
45瓦 |
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阻抗 |
不相配 |
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偏置 |
门（lt; 5伏特，lt; 100毫安） |
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漏极（lt; 30伏特，lt; 3安培） |
要确定所需的硬件，应确定组件的一般特性（例如，频率，输入功率，输出功率和直流偏置）。
对于以下分析，一般要求列于表1中。
由于晶体管的输出功率（大约46 dBm）超过了PNA-X测试端口的最大输入功率（通常为30 dBm，或选件H85为40 dBm），外部大功率耦合器必须连接到PNA-X旁路内部耦合器。所使用的外部耦合器应覆盖测量的频率范围（1.2至3.6 GHz），并处理高达45瓦的平均功率。
由于被测晶体管具有15至20dB的额定小信号增益，在典型输出功率为约46dBm的情况下，可能需要约30dBm（1瓦特）的输入激励（大驱动）来驱动它饱和。使用由脉冲RF信号（载波频率= 1.2GHz，脉冲宽度=400mu;s，占空比= 1％）驱动的晶体管收集测量数据。 NVNA X参数测量使用10 dBm至32 dBm的输入功率进行，包括高达前三个谐波。 X参数测量（参见附录，第13页上的“NVNA X参数测量序列”）需要额外的测量信号，其频率高达3倍谐波，因此，宽带前置放大器可以覆盖最多三乘以测试频率（1.2 GHz）。
X参数的测量也需要一个RF刺激被应用到输出端口，而大驱动信号同时提供给输入。这种反向刺激信号必须是APP Roxi约20 dBc以下的晶体管的饱和输出功率。因此，预期的饱和输出功率（约46 dBm）要求在26 dBm的排水测量信号。如果日 这是排第二的PNA-X源之间的任何额外的衰减，将需要额外的电源。在这种情况下，一个60瓦的驱动程序被选择，操作超过测量带宽。X参数测量还需要将RF激励施加到输出端口，同时将大驱动信号同时提供给输入。该反向激励信号必须比晶体管的饱和输出功率低大约20 dBc。因此，期望的饱和输出功率（大约46dBm）需要在26dBm的漏极上的测量信号。如果PNA-X的漏极和第二个源之间存在任何额外的衰减，则需要额外的功率。在这种情况下，选择在测量带宽上操作的60瓦驱动器。
不匹配晶体管的输入阻抗可以不同于50欧姆。因此，在晶体管的栅极处获得所需的输入功率需要源调谐器。此外，负载相关的X参数模型需要在漏极上的负载调谐器。在X参数模型提取期间不需要基频频率源 - 拉，因为在固定的最佳输入阻抗（由源调谐器提供）的输入功率范围上执行功率扫描。该测量过程等效于保持源功率固定，同时扫描提供给晶体管的源阻抗。调谐器还需要在X参数测量期间覆盖刺激的带宽（高达3.6 GHz），因为测量激励必须在到达晶体管之前通过调谐器。
由于X参数提取程序在谐波频率处执行相位扫描测量，所以在X参数模型内隐含地定义谐波源和负载阻抗的任何变化。因此，对于给定非线性器件的X参数模型提取，谐波阻抗的独立控制可能不是必需的。结果，选择基频调谐器并且必须提供足够高的伽马以匹配晶体管的电位低阻抗。
在执行X参数测量之前，阻抗调谐器必须使用调谐器软件和PNA-X进行表征。该表征过程提供预先计算的可配置输入阻抗和调谐器的S参数模型。
S参数数据用于从测量结果中去嵌入调谐器，使得在晶体管参考平面处进行测量。注意，调谐器表征是由PNA-X在两个测量端口提供的50欧姆阻抗执行的。基于该校准，在假定匹配的设备被呈现给调谐器的50欧姆端口的假设下，调谐器然后提供从50欧姆到由用户指定的阻抗的阻抗变换。如果不满足这个条件，例如当连接不匹配的驱动器放大器时，调谐器的校准不再有效，并且必须表征和考虑驱动器的不匹配。
测试夹具将晶体管连接到X参数测量系统。它由具有晶体管的封装引线的等效宽度的50欧姆微带传输线组成，使得晶体管端口和阻抗调谐器之间的插入损耗最小化。这确保了没有标准测量连接器的晶体管可以连接到阻抗调谐器，而不危及调谐器的可配置阻抗范围。此外，可以使用PNA-X校准该夹具，并且测量可以通过夹具去嵌入到DUT的封装中。
对于所选择的晶体管特性，预期小于5伏特（小于100mA）的栅极电压和小于30伏特（小于3A）的漏极电压。外部高功率偏置网络被放置在调谐器之前，在组件的栅极和漏极侧，以施加耦合在晶体管的RF端口上的必要的电压和电流。表2 用于测量的外部硬件
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耦合器 |
微型电路zgdc10-362hp |
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输入前置放大器 |
AR 5s1g4 |
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输出的前置放大器 |
AR 60s1g4 |
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调谐器 |
莫里微波MT982 |
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直流电源 |
安捷伦N6705A（与n6752a（门）和n6754a（漏）模块） |
图4 一种计算的功率预算。
表2列出为测量选择的外部硬件。在执行测量之前，必须完成功率预算（参见图4）。这样做以确保仪器不被损坏并且所有系统组件在其线性范围内操作（例如，在峰值功率下没有前置放大器压缩或PNA-X接收器压缩）。
功率预算的第一步是根据组件的规格确定在晶体管端口和测量接收器上呈现的激励/响应功率。接下来，可以选择所需的外部组件以满足高功率和接收器线性要求。选择提供前置放大器时应当小心正向和反向RF刺激。如果前置放大器被大驱动信号电平饱和（其确定X参数模型提取的大信号工作点），则添加提取信号将导致无效的模型提取。因此，在较高的驱动电平功率下，X参数将显得不正确。这通常在功率扫描期间在模拟（X参数）和在较高输入功率电平的测量结果之间存在偏差时看到。接收机的最大RF功率应限制在-20 dBm以获得最佳接收机线性度。根据图4所示的功率预算，选择适当的外部和内部衰减以满足此要求。
校准
一旦计算功率预算并连接必要的仪器，就可以校准PNA-X的NVNA。 NVNA校准包括三个步骤：使用矢量校准套件或ECal的矢量校准，使用功率传感器的幅度校准和使用相位参考的交叉频率相位校准。
耦合器后面的预放大器通常在校准期间被移除，然后在校准过程完成后插回到测量系统中。这不会使校准无效，因为在NVNA中使用了八阶误差模型。然而，添加预放大器可能影响调谐器表征。因此，调谐器后面的源和负载阻抗应该用NVNA来测量，并且必须考虑以确保由调谐器呈现给组件的阻抗与调谐器表征文件中的预测阻抗相对应。这个过程通常是调谐器软件的一部分。
X参数验证
当涉及X参数验证时，首先要确定的是，测量的X参数模型在预期的刺激/响应范围内是有效的。这通过将使用X参数模型的模拟性能与实际部件的测量性能进行比较来实现。如果实际测量的性能与模拟的性能相同，则X参数模型有效。
当比较模拟和测量性能时，关键是在仿真中的基波和谐波频率处的源和负载阻抗端接匹配在测量期间使用的阻抗。选择的阻抗与用于创建X参数模型的阻抗不相同。如上一节和附录“NVNA X参数测量序列”中讨论的，组件行为与谐波源和负载阻抗隐含定义在X参数模型，并在测量信号的应用期间进行识别。在基频，来自调谐器的物理阻抗的应用被用于生成负载相关的X参数。
因此，X参数模型在谐波源和负载阻抗的整个伽马上是有效的，并且在由调谐器呈现的基本频率负载“电网”条件下有效。阻抗示出在图5所示的仿真网络中。
图6示出了测量的和模拟的输送功率之间的比较，因此验证了模型的行为。
功率放大器设计
为了设计AB类45瓦GaN放大器，使用Cree CGH40045F GaN-HEMT晶体管。表3包含从其数据表获取的晶体管的性能概述。
选择1.2GHz的设计频率，使得可以使用在图4，第5页中描述的X参数提取设置来生成三阶X参数模型。在提取X参数之前，DC静止点必须是 组。 为目标PA选择了AB类操作。相应的电源电压列在表4中。
表3Cree CGH40045F晶体管规格
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