微波器件射频动态老化系统研究

迟 雷，陈龙坡，黄 杰，彭 浩（1. 中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051；2. 国家半导体器件质量监督检验中心，石家庄 050051）

微波器件射频动态老化系统研究

迟 雷1,2，陈龙坡1,2，黄 杰1,2，彭 浩1,2
（1. 中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051；2. 国家半导体器件质量监督检验中心，石家庄 050051）

随着微波器件的发展应用领域的扩展，对其可靠性的要求也越来越高。在微波器件的可靠性评估试验中，射频动态老化试验是最重要的试验之一。而试验系统的可靠性，经济性和实用性直接影响到可靠性评估的安全性和准确性。本文选取微波混频器为研究对象，设计并搭建了射频动态老化系统，在设计中加入了负反馈电路以保证系统的稳定性。基于虚拟仪器软件和数据采集卡，上位计算机可实时采集海量状态信息，如直流参数和射频参数。通过微波器件软硬件平台验证表明，该系统可以很好的完成微波器件的动态老化过程，较传统的静态老化系统有很大的改进和提高。

微波器件；射频动态老化试验；负反馈电路；功率监测

引言

随着微波器件在高科技领域的广泛应用，其可靠性面临着日益严峻的挑战。为了更好地了解微波器件的性能，用户单位和生产单位要求其可靠性筛选和评价试验应尽量接近产品的实际应用环境[1，2]。在所有可靠性筛选和评价试验中，老化试验是最能有效剔除早期失效，表征微波器件性能的试验之一[3，4]。

目前微波器件的老化试验一般采用直流老化的方式[5]。直流老化一般以单一热应力模拟器件的工作状态，虽然在一定程度上可以评价微波器件的工作性能，但由于与微波器件的实际工作状态相差较多，忽略了微波器件射频状态下的电应力，所得的试验结果无法有效的定量评价微波器件在实际应用中的性能和寿命。

射频动态老化试验相对直流试验更能反映微波器件的工作寿命，但由于微波器件老化试验数量多，时间长，输入功率高，试验条件苛刻，如果采用通用微波信号源、功率计等搭建系统进行老化试验，很难实现长期运营。因此需要设计一种经济、实用的微波器件射频动态老化系统，实现微波器件射频动态老化[6]。本文围绕某公司产品——混频器HMC144LH5的射频动态老化试验，设计并搭建了微波器件射频动态老化系统[7]。

1 射频动态老化系统技术指标

根据混频器HMC144LH5射频动态老化试验的要求：“在50 Ω系统下，本振端注入频率6.1 GHz，功率20 dBm射频信号，射频端和中频端50欧姆阻抗匹配，室温下常规散热条件，老化时间240 h”，设计微波器件射频动态老化系统的技术指标如下：

1）系统工作频率：6.1±0.1 GHz；

2）输出功率：最大输出功率25 dBm，实际输出值与设定值偏差不超过±0.3 dBm；

3）工作电压：交流220 V；

4）具备长时间稳定工作的能力（＞240 h），上位机可对直流参数和射频输入输出功率进行实时采集，保存记录。

5）系统工作温度不高于50 ℃。

6）具有一定的经济性，每通道射频动态老化系统的成本不超过8 000元。

系统工作在点频状态，但由于系统信号源存在个体差异，故系统工作频率要有一定的带宽且可调。输入老化器件的微波功率大小必须准确，偏小老化强度不够，偏大可能会对老化器件造成损伤，故需加入负反馈控制。系统长期工作要保证其稳定性，温度要有明确的要求。老化试验要实时记录样品的工作状态，因此要上位机要具备对多路射频信号同时采集记录的能力。

2 微波器件射频动态老化系统设计

2.1 微波器件射频动态老化系统的原理图

微波器件射频动态老化系统的原理图如图1所示。

2.2 信号源的设计

图1 微波器件射频动态老化系统原理图

由于受试样品HMC441LH5为宽带器件，故对射频老化系统的频率稳定度的要求并不高，本文采用VCO做为射频信号源，不必加入锁相环，输出频率采用固定电阻分压控制的方式， VCO内部集成了隔离放大器，其振荡频率基本不受输出阻抗匹配的影响。VCO后连接压控可调衰减器。压控衰减器后端接固定增益功率放大器对信号进行放大，得到最大功率25 dBm的输出功率。输出功率比老化功率高5 dB一方面需要考虑其后耦合器插损及线路损耗，一方面避免各部分个体差异导致输出功率不够。

2.3 射频信号功率的负反馈控制电路设计

信号源后接定向耦合器，耦合出的功率信号送入功率检波器，令检波器工作于控制模式，控制端的输出电压经运算放大调整到合适的量级控制压控衰减器的衰减量，由此形成闭环反馈控制，从而使受试器件得到稳定的射频注入功率。

2.4 采集功能设计

采集功能设计采用虚拟仪器软件搭配硬件电路实现，通过虚拟仪器控制分别实现直流信号采集功能和射频信号采集功能。射频部分实现对本振端的输入功率及射频端、中频端泄漏的射频信号功率进行实时监测，直流部分实现对所有供电电源的电压电流信号进行实时采集。

射频功率信号经对数检波器转换成电压信号。电压信号由信号采集卡差分采集并通过上位计算机机虚拟仪器软件换算成微波功率值，实时显示并存入excel文件。根据射频端及中频端的输出功率可判断受试器件是否已经发生失效，利用存储数据可分析试验样品参数随时间的变化情况。

受试器件及信号源、检波器等模块的电压、电流信息利用供电电源自带的信号检测功能进行测试，采集到的数据通过供电电源的LAN通讯接口传递到上位计算机的虚拟仪器程序，虚拟仪器程序集成了实时采集和故障报警功能。

3 微波器件射频动态老化系统搭建

系统采用模块化设计，图1中的各组成部分封装到不同的铝制盒体中构成不同的系统模块。各模块独立封装首先可避免相互之间的信号干扰，其次容易查出系统故障原因，通过更换模块的方式进行修复，最后当对其他种类的微波器件进行射频老化试验时可通过修改现有系统实现。为保证系统工作温度及稳定性，各模块固定在同一块散热板上，各模块之间采用刚性电缆连接，上位计算机选用IBM公司生产的中档服务器。

系统搭建完成后各性能指标如下：

1）信号源：点频输出，频率范围5～7 GHz，通过电压控制VCO调整；频率稳定度：设定值±0.1 GHz；系统提供最大射频注入功率： 25 dBm；功率准确度：±0.5 dBm；衰减量数控可调：调节范围0～30 dB；

2）射频信号功率的负反馈控制电路：可通过检波控制器芯片及电压调整电路进行反馈控制，提高功率准确度到设定值±0.2 dBm；

3）实现了射频动态信号的实时采集、显示和存储功能，实现了供电电源电压、电流的采集功能，通过上位机虚拟仪器软件实现了数据处理、记录和故障报警功能[8]。虚拟仪器程序界面如图2所示。

4）经检测系统工作温度不高于50 ℃。

5）经核算，每通道射频动态老化系统的成本小于6 000元。

4 试验验证

利用本文搭建的微波器件射频动态老化系统对10只HMC144LH5进行240 h老化摸底试验。对本振端、射频端、中频端的射频信号功率每小时采样一次，10路通道的平均功率如图3所示。经统计，本振端注入功率稳定度不超过±0.2 dBm，中频端和射频端输出功率波动不超过±0.4 dBm。试验数据证明微波器件射频动态老化系统可以很好的完成微波器件的动态老化过程，较传统的静态老化系统有很大的改进和提高。

5 小结

利用工程经验自主开发微波器件射频动态老化系统，一方面可以满足射频元器件动态老化的需求，另一方面在很大程度上节约了成本，具有很强的工程应用性。本文例举的混频器HMC144LH5射频动态老化系统，可通过更换VCO、放大器等应用于相近频段及其他类型微波元器件。

图2 虚拟仪器程序界面

图3 240 h老化试验射频功率监测结果

[1]半导体器件可靠性编写组.半导体器件可靠性[M].北京：国防工业出版社, 1978: 86-87.

[2]史保华,贾新章,张德胜.微电子器件可靠性[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1999.

[3]罗雯,魏建中,阳辉,等.电子器件可靠性试验工程[M].北京：电子工业出版社, 2005:41-73.

[4]王因生,陶有迁,徐全胜,等. L波段硅脉冲功率管52000器件小时的脉冲射频加速寿命试验[J].固体电子学研究与进展, 2011,31(5): 473-477. [5]刘林春.功率裸芯片的测试与老化筛选技术[D].广州:广东工业大学：刘林春, 2008.

[6]廖娟,郝彦爽. LabVIEW及其在电源老化监测系统中的应用[J].仪器仪表用户, 2006(01):46-48.

[7]杨光晖等.老化用微波功率信号源的研制[J].环境适应性和可靠性, 2008, 6:27-28.

[8]杨乐平. LabVIEW 程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社. 2005.

Research on RF Dynamic Burn-in System for Microwave Devices

CHI Lei1,2，CHEN Long-po1,2, HUANG Jie1,2，PENG Hao1,2
(1.The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051; 2. National Semiconductor Device Quality Supervision and Inspection Center, Shijiazhuang 050051)

With the development of microwave devices and the expansion of applications, the higher reliability of microwave devices is required. RF dynamic burn-in test is the most important test in the reliability evaluation microwave devices. The reliability economics and usability of the burn-in test system directly affects the safety and accuracy of the evaluation of microwave devices. This paper chooses microwave mixers as the study object, and a kind of burn-in test system is designed and built. The design adds the negative feedback circuits to guarantee the stability of the system. Based on virtual instrument software and data acquisition card, the upper computer can measure process numerous real-time status messages, such as DC parameters and RF parameters. Some experiments and tests based on microwave devices show that the system can well complete the dynamic burn-in process. It is greatly improved and enhanced comparing with the traditional static system.

microwave device; RF dynamic burn-in test; the negative feedback circuits; power monitoring and measuring

TN406

A

1004-7204（2017）01-0040-04

迟雷（1986-），男，沧州人，工程师，现从事半导体器件检验及可靠性研究工作。