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

Luca Galatro and Raffaele Romano

Vertigo Technologies, The Netherlands

Carmine De Martino and Marco Spirito

Technische Universiteit Delft, The Netherlands

（点此阅读含图表的全文）

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f_t和f_max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f_t或f_max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(P_av)，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。

计算机辅助功率控制和扫描

使用毫米波波导扩展器时ALC的缺失可以用一种专用的软件控制回路来规避。考虑图3a中所示的使用扩展器进行毫米波测量的常规VNA设备的简化示意图，并添加用于功率校准的一台外部计算机和一个功率传感器。正如Galatro等人⁶所述，可以按以下步骤实现功率控制(见图3b)：

1. 在波导参考平面进行S参数校准。

2. 将一个功率传感器连接到波导端口1进行功率校准，并在扫频期间测量绝对功率。

3. 功率定标：在输入功率和频率的大范围扫描中表征扩展模块的非线性功率响应，并直接使用VNA接收器测量波导测试端口的功率。这将使用步骤2中执行的功率校准。

4. 晶圆上校准，将全部的校准参考平面(S参数、功率和定标)转移到所需的晶圆上参考平面。

经过这4步之后，就可能利用商用VNA的大动态范围和高速度来精确控制、测量提供给DUT的功率，因为只有步骤2中的功率校准需要使用速度较慢、动态范围较小的功率计。

图3：采用4端口、2源VNA和波导扩展器(a)以及4步校准规程(b)的常规毫米波测量。

功率控制的影响

S参数测量中控制功率的能力可以减小与器件驱动不当相关的测量误差。例如，使用上述功率控制规程对De Martino所述的器件进行了测试，并嵌入到MMW-STUDIO (MMW-STUDIO是Vertigo Technologies和TU Delft开发的用于精确的亚THz测量的一种软件平台)中。该例中，功率在整个频段内都保持为-30dBm(图1)以确保小信号工作。这样就确保了图2中所示的S参数的正确测量结果，图中S₂₁在整个频带上都得以准确地表征。

前述的4步规程不只可以在S参数测量中控制功率。控制和测量功率的能力还可用于进行功率扫描，从而得到增益压缩等大信号特性。图4显示了前述功率放大器在不同频率下的功率扫描测量结果。请注意，约250个数据点的测量仅花费了约4.5分钟，与之相比，使用一台功率计设备进行全部测量则需要2小时。

图4：两级、130nm SiGe BiCMOS放大器的实测性能，图中显示了小信号增益-频率(a)、增益-P_in (b)、效率-P_in (c)和P_out-P_in (d)曲线。

亚THz有源负载牵引

如上一节所述，通过使用小信号测量的现成设备(即通常用于简单、无功率控制的S参数测量的设备)，采用4步校准并借助外部计算，就能实现毫米波频率的大信号测量。然而，设备的大信号能力是有限的，且只能进行匹配的测量，因为施加到DUT的负载/源阻抗不能相对于系统固有阻抗而变化。

为了进行更高级的测量(即有源负载牵引)，需要改进硬件装置。一台有源负载牵引设备的实现需要一个有源调谐器，它通过向DUT端子适当注入一个相位和幅度都可控的预定信号来改变阻抗条件。与之相比，前述的系统虽然可以调节注入DUT的功率，却不能控制相位。

为了加入相位控制，必须将一个可编程移相器插入到信号注入通道中。直观的方案是将移相器放置在反射计之前，从而直接在倍频信号上实现相位调制(图5a)。这意味着使用一个毫米波相位调制器来改进毫米波扩展器。该方案尽管从测量的角度看是合适的，但这种组件的高成本、在毫米波扩展器内部硬件改动的复杂性使之不切实际。但是，如果将移相器放置在毫米波扩展器之前(图5b)，在倍频之前对RF信号进行相位调制，这样就位于相对于测量较低的频率处。这就能获得较大的灵活性、较低的成本，因为移相器使用了较低频率的元件且无需改动波导扩展器。

图5：有源调谐器的两种实现方案：在倍频之后(a)和之前(b)调节注入信号。

频率可调的有源调谐器

一旦选择了图5b所示的结构，就必须确定实际的实现方案。波导头的选择取决于预定的频段，原则上是任意的，因为它不会影响频率较低的硬件。对于幅度和相位调制，必须选择适当的元件。在MMW-STUDIO的案例中，可以从VNA的RF源直接实现注入信号的幅度(功率)调制，并通过校准的方式实现功率控制。

对于一个开环的有源负载牵引架构，一个基本要求是DUT输入和输出处的注入波之间的相位相干：两个注入信号必须共享同一个时基。最简单、可靠的方法是让测试端口上的两个注入波共享同一个RF源⁷。如果是这种情况，需要只使用VNA的一个RF源来控制两个注入，这就不能用同一个源来独立控制每个端口的功率了。如果在两个端口上都需要独立的功率调制，就必须使用另一种方案了。在毫米波频率⁶的混合信号有源负载牵引⁸中，使用I/Q调制器可以对每个端口独立地进行功率和相位调制。混合信号有源负载牵引的主要区别在于信号调制的频率与测量频率不同。

基于这些考虑，图6a中对图3a中的经典原理图进行了修改，以实现有源负载牵引功能。图6a是Vertigo实现的技术方案的一个简化原理框图，图中I/Q调制器是嵌入在通用矢量调制单元(VMU)之中的。两个VMU均由VNA的端口1通过功率分配器驱动，以确保在固定功率下的总相位一致性。I/Q调制器用作相位/幅度调制器，其直流信号(I和Q)通过一个高比特(24位)数模转换器产生，并通过握手回路与VNA同步以确保高速。VMU的工作频率与扩展器模块的RF输入频率相同，大多数输出频率到1.1THz的市售扩展器通常在5-20 GHz之间。VMU调制的信号供给扩展器，并上变频到所需的频率。上变频后的信号成为有源调谐器的注入信号；通过一个迭代的过程，就可能用于进行有源负载牵引测量了。

图6：用于亚THz频率测量的可扩展有源负载牵引试验平台(a)和完整的晶圆上有源负载牵引系统(b)。

图6b显示了工作于WR6.5波导频段(110-170 GHz)的晶圆上有源负载牵引系统的一种实现方案。输入和输出的VMU都方便地组装在一个机架式机箱中，以便安装和信号分配。图6b中的系统与MMW-STUDIO LP软件一起，可以在任何所需的负载阻抗(取决于DUT和扩展器的规格)下进行有源负载牵引测量，理想情况下可覆盖毫米波扩展器的每个频率。该设备已在高达500GHz频率下进行了测试，幅值稳定性优于0.01、相位稳定性优于0.6度。表1汇总了不同测量频率下负载控制的稳定性。

表1：负载控制的稳定性与频率

图7显示了一种商用两级(双倍指)、130nm SiGe BiCMOS HBT的大信号表征结果。该测试是在125GHz处、多达54种不同负载条件下进行的，输入功率的扫描范围为-21至-1 dBm。使用了R & S ZC140扩展模块，其额定可用功率为8dBm。图7a显示了功率附加效率(PAE)的等高线，识别出了峰值PAE的最佳负载条件：Γ_opt= -0.1 + i0.75。图7b显示了在Γ_opt下实测的增益、PAE和传递到负载的功率(P_L)与输入功率P_in的关系。据作者所知，图7是在高于110GHz的频率下首次公布的有源器件的有源负载牵引测量结果。

图7：两级、130nm SiGe BiCMOS HBT在125GHz处的一个有源负载牵引测量结果显示了：最佳PAE负载下的PAE轮廓(a)，增益、PAE和传递到负载的功率(b)。

结论

借助软件、专用校准和小的硬件改进，有可能扩展基于传统波导扩展器的VNA设备的功能，从而在亚THz频段内进行精确的功率控制、功率扫描和有源负载牵引测量。本文所述的方法可扩展到毫米波波导扩展器覆盖的每个频段，并进行了500GHz的测试。125GHz频率下商用BiCMOS器件的测量结果表明，该方法具有使用现成设备全面表征实际器件的能力。