用于亚THz大信号测量的频率可扩展功率控制与有源调谐

Frequency Scalable Power Control and Active Tuning for Sub-THz Large Signal Measurements

Luca Galatro and Raffaele Romano

VertigoTechnologies, The Netherlands

Carmine De Martino and Marco Spirito

Technische Universiteit Delft, The Netherlands

在亚THz频率下表征电子器件和MMIC对仪器提出了一些挑战。尽管可以使用带有毫米波扩展器的矢量网络分析仪(VNA)进行S参数测量，但大信号测量需要专用的测量设备。本文描述的一种新方法扩展了传统VNA亚THz S参数测量设备的能力，以实现精确的功率控制、功率扫描和有源负载牵引。

半导体技术在ft和fmax方面不断提高的性能正在促进毫米波频段新商业应用的发展。在频率高达80GHz赫兹的5G通信、77/94/140 GHz汽车雷达、卫星通信、成像和家庭娱乐设备的开发中均不乏案例。

商业应用的开发自然涵盖了单个有源器件(即晶体管)的性能表征以及诸如功率放大器、探测器和辐射计等IC的测试。第一步是提取并验证频率高达ft或fmax的器件的紧凑模型。紧凑模型用于验证IC是否符合最终应用的指标。无论哪个领域，能找到准确、可靠的测试仪器都是技术开发的基础。

必须确定有源器件的小信号和大信号特性。第一步通常是测量S参数，这可以用VNA来实现。市售带同轴扩展器的宽带VNA可以实现高达220GHz的频率，波导频段分档的解决方案则可高达1.5THz。这些设备的局限性主要与以下因素有关：可用功率，频率提高时互连线中的损耗(宽带同轴设备尤甚)，使用波导频段分档的扩展器模块时传输到待测器件(DUT)的功率控制的难度。

对于大信号测量，一种最流行的技术是负载牵引。市售的无源调谐器频率可高达110GHz1，但其性能通常会受制于在毫米波频段增大的损耗，这就限制了可施加到DUT负载上的反射系数。商用的有源负载牵引系统目前只能实现低于40GHz的频率2。文献中鲜有更高频率的有源负载牵引系统的例子3-4，并且它们都是基于通常无法扩展的特定方法。

本文介绍了一种利用常规毫米波VNA+波导频段分档扩展器的测量方法，该方法在波导扩展器覆盖的任何频带上均具有完善的功率控制和功率扫描能力。略作调整，该设备就可以增强有源调谐等功能，是第一个用于亚THz频率的可扩展的有源负载牵引设备。

功率控制的限制

对于常规的VNA测量，通过功率控制实现动态范围的最大化，即使用一种所谓“自动电平控制(ALC)”的反馈硬件来实现。使用毫米波波导扩展器时，ALC被悄然排除在测量回路之外。由于扩展器中缺失了ALC，以及内部组件的非线性特性，源的可用功率在波导频带内会显著变化。图1的案例显示了一种市售WR-05 VNA扩展器的输出功率(Pav)，以及该模块RF输入端口的标称固定功率。图中，功率波动在10dB量级。不同厂商的产品在各频段上想必也有类似的功率波动值。

图1：一种商用WR5波导扩展器模块的输出功率，显示了标称输出功率和MMW-STUDIO设置的一个恒定值-30dBm。

这种DUT功率控制的缺失对有源器件的测量精度有不同的影响。进行小信号测量时，如果DUT输入端的功率值波动且无法正确控制，其风险是：要么是将器件驱动到一个错误的工作区(损害小信号特性)，要么是降低输入功率值以确保正常工作并限定测量的动态范围。

De Martino等人5在表征一种140GHz功率放大器时，展示了一个与功率控制能力下降有关的案例。采用具有标称输出功率的波导扩展器来表征DUT(一种两级130nm SiGe BiCMOS放大器)时，135-160 GHz频段的S参数会出错(图2)。

图2：使用波导扩展器测得的一只两级、130nm SiGe BiCMOS放大器的实测增益-频率曲线，比较了从扩展器到功率控制的标称功率。