GaN射频器件的微波测试介绍

氮化镓功率放大器生产测试的独特挑战

Devin Morris, RoosInstruments

随着5G的推出，新的无线电网络基础设施的一个重要环节是gNodeB基站的功率放大器（PA）。PA需要无故障运行，往往是在极端条件下，而且5G标准提出了更宽的带宽、更高的频率和更高的效率。因此，与移动设备中的射频前端相比，PA和组成它们的半导体器件具有更严苛的测试要求。

传统上，LDMOS是基站PA的首选工艺技术；然而，由于LDMOS在频率超过3GHz时性能会下降，SiC基GaN已成为一种有竞争力的替代方案，为高功率应用提供了明显的优势：其一是它的带隙比硅大，带来了更高的击穿电压和更高温度下的热稳定性；其次，与硅相比，SiC基GaN具有更高的导热性，这意味着在相同的工作电压下具有更高的效率，减少了散热的挑战。最后，GaN的击穿场明显高于Si，在失效前的电压处理能力是Si的10倍。这使得GaN器件在制造时，尽管功率密度较高，但芯片尺寸却较小。

这种工艺技术的优势却为鉴定射频GaN器件和MMIC的性能和稳健性带来了独特的测试挑战。由于GaN在基站PA中是相对较新的技术，生产测试是工艺表征、性能鉴定和可靠性评估的混合。与传统的LDMOS PA相比，GaN PA所需的更高的性能和独特的偏压增加了复杂性。本文讨论了测试系统如何解决这种复杂性。

偏压

与增强型LDMOS相比，GaN HEMT需要测试设备提供正漏极和负栅极偏压。虽然电压是传统的，但为避免损坏被测器件(DUT)或测试设备，电源的空闲状态电压和直流偏压的顺序是非常棘手的。作为耗尽型场效应晶体管，GaN器件在应用漏极电压之前，需要在栅极有一个负的掐断电压以保持晶体管关闭，然后在射频测试之前将栅极电压调整到正确的偏置电压。在测试结束和测试下一个器件之前，必须反向应用这个顺序。这就要求测试设备具有专门的排序和空闲状态控制，而且设备接口必须提供”故障-保护"，以防止有问题的设备损坏插座或测试设备。

与硅相比，GaN的导通电阻较低，击穿电压较高，因此需要进行高电压和低电流测试。表征击穿电压是很常见的，需要大于100V的电压，同时测量pA到nA范围内的电流。这种测试要求设备有快速和精确的反应时间，一旦超过击穿电压就中止测试，避免永久损坏或退化DUT。

微波测试

测试GaN射频器件的最大挑战之一是微波测试在评估性能方面的突出作用和要求。随着5G标准将频率推到3GHz以上，对输出功率、线性度和效率有严格的要求。这就要求生产测试环境要模仿传统的微波测试台。集成和模块化的综合微波自动测试设备（ATE）解决方案受到青睐，而不是多种专用台式仪器或定制的负载板解决方案。这种需求导致了ATE架构的发展，它提供了与台式仪器相当的性能，同时提供可配置的测试资源，可根据应用定制，并具有灵活性，以满足不断变化的性能要求。这种能力可以处理一系列的微波测量任务，只需插入一套设备。

测试生产线中的GaN PA的挑战是高射频功率、高频率和高测量精度的结合。这些因素影响了ATE配置、能力、接口和校准等多个方面。在设备方面，微波源和测量仪器已经从设备接口转移到ATE中的专用微波仪器，结合了频谱分析仪、功率计和矢量网络分析仪的功能。这种整合实现了广泛的频率覆盖和测试功能，并具有指定的测量和集成校准。它将仪器的复杂性从设备接口中移除，因此它作为高功率条件下的负载串并为专门测量提供信号，发挥了更针对特定应用的作用（图）。

图 ATE架构，信号源和测量仪器都在系统中，而不是在设备接口。

放大器的测量通常包括增益、增益平坦度、效率、邻道功率比（ACPR）、线性度（EVM）和其他线性，如P1dB和P3dB。对于5G PA，其性能水平和更高的频率要求使得校准更重要。虽然仪器和测量的类型将决定是否需要矢量或标量功率校准，但应了解每种与PA测试有关的好处和限制。

ATE校准

在功率精度至关重要的线性和效率测量中，标量校准具有优势。标量校准通常涉及一个带传感器的宽带功率计，以确定测量平面的信号功率。然而，

编辑：黄飞