極低溫下HEMT晶體管噪聲參數提取

劉 英，羊 愷

（1.中國民航飛行學院航空工程學院，四川 廣漢 618307；2.電子科技大學航空航天學院，四川 成都 611731）

極低溫下HEMT晶體管噪聲參數提取

劉 英1，羊 愷2

（1.中國民航飛行學院航空工程學院，四川 廣漢 618307；2.電子科技大學航空航天學院，四川 成都 611731）

在極低溫環境中，為實現對晶體管的噪聲參數提取，該文采用嵌入網絡和去嵌入式技術。在測試的過程中，將多工器嵌入到測試網絡中，實現有源器件所需要的不同頻率電源；同時，將多工器與直通校準件相連，利用噪聲系數與增益之間的關系，分別求出嵌入網路中的S參數，后用Matlab編程計算。由此求出HEMT晶體管的噪聲系數（NF），從而實現在極低溫環境下的晶體管的噪聲參數提取，為極低溫下的微波電路設計提供有力的技術方案。

極低溫；多工器；嵌入網絡；HEMT晶體管；噪聲系數提取

0 引 言

低溫環境下，本征載流子的濃度很低、熱電壓也會隨著下降，同時，凍析效應的影響會隨著溫度的變化而變化[1]。因此，低溫環境更能體現電路的優勢，如插損小，電路的噪聲系數降低，靈敏度提高，抗干擾能力增強[2]等。在微波電路仿真設計時，器件的噪聲系數（NF）由廠商提供，且是在常溫下獲取的。就電路設計來說，常溫和低溫下的測試參數存在誤差，必將影響后期的電路調試工作。同時，一旦網絡本身存在噪聲，則輸出的噪聲功率增長速度要比信號功率增長速度快得多，這時輸出信噪比就要下降[3]。

對于二端口網絡而言，NF不僅反映了網絡的本征噪聲特性，也反映了對輸入噪聲的影響。測量有源晶體管時，測試夾具上需要給待測設備（DUT）提供偏置電壓以便打通溝道，這種方法對測試散射參數（S參數）完全可行，但對于測試DUT的噪聲系數就存在一定的難度。文獻[4]有對這種測試的介紹，但過程、方法非常繁瑣。為此，筆者采用了2個多工器將三路不同頻率的微波信號耦合到同一個波導輸出的結構，在輸入輸出端對直流信號、射頻信號進行隔離，這樣既完成了S參數的測量，又能進行噪聲系統的測量。

1 多工器設計

多工器一般由多個高低通濾波器級聯而成，在設計多工器的過程中，先單獨設計單個高、低通濾波器，然后再級聯優化濾波器的過渡部分[5]。本設計采用T型分支線將多個高、低通濾波器級聯。其設計的思想是利用1/4波長將兩個帶通濾波器之間實現為開路，從而實現相互之間的隔離。將以上設計的兩組高、低通濾波器通過T型節級聯起來，再優化雙工器在交接點的過渡，這樣就實現了多工器的制作，如圖1所示。

圖1（a）中Port 1是DC-7.4GHz的低通濾波器，Port 2是7.4～12.2GHz的帶通濾波器，Port 3是12.2 GHz的高通濾波器，這3個濾波器滿足了用于不同測試頻率范圍的要求，Port 4是公共輸出端。又由于測試過程中校準技術和測試方法的介入能直接去掉濾波器之間的耦合，所以在仿真過程中直接將雙工器拼接，不需要再做整體優化仿真。

各個端口仿真參數曲線參見圖2。本課題中采用介電常數為2.2，厚度為10mil（1mil=0.0254mm）的基片加工而成，加工后的實物圖見圖1（b）。由于在測試時，矢量網絡分析儀只有兩個測試端口，所以為了更好地與測試件匹配，需要將其他暫時不用的端口接上50Ω的匹配負載。低溫下的測試曲線如圖3所示。

圖1 多工器設計圖

圖2 多工器S參數仿真曲線

圖3 多工器S測試曲線

2 HEMT晶體管噪聲系數測試

實際生活中的網絡系統，都會使信噪比惡化，NF是信噪比下降的量度，如下式所示：

式中：（S/N）i——輸入的信號與噪聲功率之比；

（S/N）o——輸出的信號與噪聲功率之比。

噪聲特性的另一種表示是噪聲溫度T，當噪聲系數比較低的時候，通常用T來表達噪聲特征。它與噪聲系數的關系如下式所示：

其中T0=290K。

本文采用對部件噪聲系數的精確測量來獲取噪聲系數，使參數更接近DUT的真實參數。文獻[6]中給出了另外兩種測試方法：通過部件的小信號等效電路來獲取或部件噪聲參數的直接提取。前者需要分別獲得外部元件和本征元件的相關參數來獲取噪聲參數，后者是對參數Fmin、Rn、和Γopt（包括幅度和相位）進行估測的新方法[7]。這種方法適合在頻段和準確度要求不太高時使用。

圖4 測試網絡

圖5 嵌入網絡示意圖

如圖4所示，噪聲參數分析儀所測出的噪聲系數實際是一個由網絡A、B和DUT所組成的級聯的噪聲系數。級聯系統的噪聲系數可用下式表示：

GA，GB和GDUT分別表示輸入A，輸出B和測試件DUT的有效功率增益。這些參數可以從各自的S參數中求得，如下式所示：

因為A、B兩個網絡均是無源網絡，所以其噪聲系數可以從增益中獲得，兩者之間的轉換如下式所示：

聯合式（3）、式（4）、式（5），可以求得測試件的噪聲系數，如下式所示：

由于所測試的晶體管兩端的網絡A和B也會影響組件的噪聲系數，因此需將A、B的影響去除。這里可以將A、B看作性能指標均一樣的網絡，也可以利用時域反射技術解決這一問題。因為S參數不能直接級聯相乘，所以需要將散射參數轉換為傳輸矩陣T。S參數與T參數直接的轉換如下式所示：

A、B和DUT網絡的T矩陣級聯為下式所示：

現在要解決的問題是如何求出TA或TB。利用傳輸線特性，將多工器和校準件中的直通標準件相連，矢網利用SOLT校準技術分別求出圖4和圖5的網絡SM1和SM2參數，此時，SM1是網絡A，B和DUT的S參數，SM2是網絡A，B的S參數。利用式（8），在Matlab中編程，便可求出所需要的S21參數、G參數，NF參數。

圖6 常溫下噪聲系數測試

當然噪聲儀測試出的參數是整個測試系統的參數，需要結合多工器的S參數聯合Matlab編程，來除去整個測試網絡中不需要的網絡帶來的噪聲，如多工器、同軸微帶轉換網絡等，才能獲得測試件的噪聲系數。

圖6測試的是常溫下的噪聲系數，圖6（a）為靜態工作點VDS=2V，ID=10mA時的不同頻率下的噪聲系數，這種晶體管的噪聲系數很低，一般用來設計低噪聲放大器。圖6（b）中同一頻率下，變化是的噪聲系數。其中，紅色曲線為生產廠商提供的噪聲系數，黑色曲線為測試出的噪聲系數。

一般情況下，當噪聲系數（NF）較小時，通常用噪聲溫度（T）來表示噪聲系數。最終的噪聲溫度見圖7（b）。上述測試結果是在VDS=2V，f=12GHz，噪聲系數隨著IDS的變化所體現的變化。當溫度變化大時，噪聲系數變化明顯，如圖7所示。

圖7 30K低溫下噪聲測試

文獻[8]指出，噪聲系數是一個統計參數的測量，不像其他參數（如電阻、電壓）那樣能夠精確地測量。產生這種情況的原因除了測試電路的噪聲之外，更主要是所選用的測試方法。從上述的測試過程來看，器件的噪聲參數誤差主要有兩個來源：校準NF50引起的誤差（阻抗失配誤差）；S參數測量引起的測量誤差。而NF50的校準參數來源于原供應商所提供的參數，為固定值，但它會隨著測試環境的改變稍微發生變化，會給測試結果帶來一定的影響。S參數測量包含多項器件的測量參數，它是由多項誤差共同引起的。后期的噪聲系數提取算法中的精度也會給噪聲系數獲取帶來影響[9]。

3 結束語

噪聲參數，特別是許多低噪聲器件，其測量不像其他參數（如電阻、電壓）那樣能夠精確地測量。產生這種情況的原因除了測試電路的噪聲之外，更主要的是與所選用的測試方法有關。所以，其噪聲系數的測量，只能說是測試出一種符合統計特性范圍內的參數，不會像其他電參數那樣準確。

[1]王明網，魏同立.低溫半導體器件模擬軟件包[J].半導體學報，1996，17（10）：762-768.

[2]陳榮飛.極低溫微波半導體開關探索研究[J].低溫與超導，2011，39（1）：71-75.

[3]David MP.微波工程[M].張肇儀，譯.3版.北京：電子工業出版社，2006：420-490.

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[5]張尚武，龐偉正.多信道微帶頻分器設計[J].應用科技，2007，5（34）：20-23.

[6]劉章文.微波BJT_FET器件噪聲特性測量的研究[D].成都：電子科技大學，2006.

[7]劉章文，古天詳.微波BJT器件噪聲參數的提取[J].電子學報，2004，32（8）：1396-1398.

[8]Davidson A C，Leake B W，Strid E.Accuracy improvements in microwave noise parameter measurements[J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech，1989，37（12）：1937-1977.

[9]張小玲，謝雪松，呂長治，等.AlGaN/GaN HEMT器件的高溫特性[J].微電子學與計算機，2004，21（7）：7.

Noise parameter extraction of HEMT transistors at extremely low temperature

LIU Ying1，YANG Kai2
（1.Aviation Engineering Institution，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307，China；2.College of Aeronautics and Astronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In orderto extractthe noise parametersofHEMT transistorsatextremely low temperature， an embedding network and de-embedding technology has been adopted.A multiplexer was embedded into a test network to provide active devices with different frequencies of power during the test.At the same time，the multiplexer was connected with a through calibration module to obtain multipleSparameters in the embedded network based on the relationship between noise figures and transmission gains.And HEMT transistor noise figures（NF）were calculated via MATLAB programming，achieving the extraction of noise parameters at low temperaturesand offeringa powerful technicalsolution formicrowavecircuitdesign atlow temperatures.

low temperature；multiplexer；embedded network；HEMT transistor；NF extraction

A

：1674-5124（2015）05-0026-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.007

2014-09-21；

：2014-11-17

劉 英（1982-），女，四川成都市人，研究方向為低溫下微波部件參數測試。