Banc de caractérisation en linéarité de composants actifs par des mesures multi-

tons innovantes : application aux HEMTs GaN

KAHIL Si Abed Karim1,2, LAURENT Sylvain1, QUERE Raymond1, FLORIOT Didier2, DRIAD

Samira2, BRUNEL Valeria2 1Laboratoire XLIM

123, Avenue Albert Thomas

87060 Limoges, France 2United Monolithic Semiconductors

10 Avenue du Québec

91140 Villebon-sur-Yvette

E-mail : si-abed-karim.kahil@xlim.fr

Résumé

Un banc load-pull multi-tons (MTLP), dédié à la

caractérisation sous-pointe de la linéarité des composants

actifs, est présenté. A titre d’illustration, nous évaluons les

performances en linéarité de trois technologies HEMT GaN

provenant de deux fonderies concurrentes. Le résultat des

caractéristiques temporelles permet d’approfondir l’analyse

de distorsion non-linéaire, mettre notamment en évidence

l’influence des effets de pièges, relativement importante dans

les composants à base GaN. Ce banc répond actuellement à

des besoins de caractérisation pour des composants promus à

des applications de télécommunication et radar. Ses

potentialités ainsi que son exploitation lui confèrent un intérêt

industrialo-scientifique certain.

1. Introduction

Les technologies à base de Nitrure de Gallium (GaN)

connaissent un essor considérable depuis une vingtaine

d’années ; le composé GaN ayant des caractéristiques

physico-électriques des plus attractives pour des

fonctions hyperfréquences de puissance. Des composants

actifs à base GaN font actuellement l’objet

d’implémentation au cœur de systèmes de

télécommunication et dispositifs radars pour lesquels des

performances accrues en linéarité sont requises. En

revanche, l’immaturité des fonderies GaN en limite la

mise en œuvre. Des effets électriques parasites, résultant

de défauts de fabrication nuisent aux performances des

composants, dont la linéarité. Par ailleurs, les bancs de

caractérisation en linéarité représentent des coûts de

développement et d’exploitation onéreux. Disposer ainsi

de nouveaux outils et méthodes d’investigation afin

d’améliorer, d’optimiser les fonderies GaN présente un

intérêt majeur. Dans ce contexte, nous présentons un banc

de mesure load-pull multi-tons, particulièrement

intéressant, tant du point de vue de ses potentialités que

de son exploitation, pour caractériser et comparer la

linéarité de composants actifs. Il permet en outre de

mener des analyses approfondies de la distorsion non-

linéaire. Une illustration pratique est proposée sur des

composants HEMT GaN. La première partie de cet article

traite de la configuration du banc. Les résultats de mesure

sont exposés en deuxième partie.

2. Présentation du banc MTLP

La mesure multi-ton permet de caractériser la linéarité

de composants actifs. Un choix pertinent de fréquences

porteuses permet en effet de relever précisément les

amplitudes et phases des porteuses et ses produits

d’intermodulation [1] ainsi que d’évaluer les critères de

linéarité les plus élaborés tels que l’ACPR, l’EVM et

NPR [2]. Notre banc est constitué d’un analyseur de

réseau large-signal (LSNA) [3] configuré pour

l’acquisition de 8 porteuses et ses produits

d’intermodulation d’ordre 3 intra/extra-bandes. Les

composantes continues des courants et tensions sont

mesurées. La fréquence centrale du signal f0 est réglée à 4

GHz (spécification télécom). Une représentation quasi-

normalisée du banc MTLP est proposée en figure 1.

Amplificateur à tube

a1

50 Ω Signal multi-tonsf0 = 4 GHz

3 dBb1 a2 b2

50 Ω

3 dB

50 Ω

Γf0

VGS VDS

Γf0

DUTTuner de Source

Tuner de Drain

Figure 1. Représentation quasi-normalisée du banc MTLP

Le signal 8 tons est défini de sorte que ses puissances

d’intermodulation d’ordre 3 ne se chevauchent ni entre-

elles ni avec les porteuses tout en annihilant l’influence

des phases relatives sur son amplitude. Nous pouvons

ainsi considérer, pour chaque porteuse, des phases

aléatoires afin de réduire considérablement le temps de

mesure. Le signal et ses principales caractéristiques sont

exposés en figure 2. La fréquence de résolution du LSNA

(fƐ = 975 Hz) résulte en une durée de trame de 1,025 ms :

temps de mesure pour un niveau de puissance.

Δfmin = 21.48 kHz

6 dB

128 IM3 : fi+fj-fk

56 IM3 : 2fi-fj

Bande-passante Δf = 2.46 MHz

Caractéristiques du signal 8 tons• Phases des porteuses aléatoires• Δf = 2.46 MHz• Δfmin = 21.48 kHz

8 porteuses : f1 … f8P(dBm)

Figure 2. Spectre en puissance du signal 8 tons

Le signal 8 tons présente des analogies fortes avec un

signal modulé numérique en termes de dynamique et

propriétés statistiques. Il présente par exemple un facteur-

de-crête de 8.1 dB. Toute chaine de modulation ou

démodulation est exclue. De plus, aucune auto-

interférence (chevauchement fréquentiel) n’est initiée, la

linéarité peut être ainsi précisément évaluée. L’annulation

partielle des porteuses permet de générer un signal 1 ou 2

tons. De tels signaux, implémentés au sein d’une même

station sous-pointe s’avère alors très utile pour la

caractérisation de composants actifs dont nous proposons

une illustration pratique dans la partie suivante.

3. Résultats de linéarité

Notre illustration porte sur trois technologies HEMT

GaN mesurées à différentes classes AB. Les résultats de

linéarité usuels évalués au travers de mesures

mono/multi-porteuses sont présentés. Disposant des

formes d’ondes d’enveloppe, des analyses approfondies

de la distorsion non-linéaire peuvent être menées et sont

proposées dans la dernière partie de ce chapitre. Ces

analyses mettent notamment en évidence l’influence des

effets de pièges sur la linéarité.

3.1. Préliminaires

La table 1 présente les technologies HEMT GaN

étudiées.

Techno A B C

Description

commune

Longueur grille : 0.25 µm Hétérojonction AlGaN/GaN

Substrat SiC

Description

spécifique

Avec field-plate

Fonderie européenne

Sans field-plate

Fonderie européenne

Avec field-plate

Fonderie asiatique

Table 1. Description des technologies HEMT GaN

Nous exposons des résultats pour un courant de

polarisation de 10 mA/mm, correspondant à une classe

AB profonde, fréquemment appliquée pour optimiser

conjointement linéarité et rendement [4]. La figure 3 met

en évidence les impédances d’adaptation, mesurées pour

chaque technologie à 4 GHz.

+ input : Z11*(4 GHz)

X output : Z22*(4 GHz)

ZSourceTuner(4 GHz)= 19 + j40 Ω

ZLoadTuner(4 GHz) = 67 + j125 ΩTechno A

Techno B

Techno C

Techno A

Techno B

Techno C

Figure 3. Impédances d’adaptation à 4 GHz, polarisation (VDS=30 V, IDS= 10 mA/mm).

Nous supposons que les conditions d’adaptation en

puissance des trois technologies sont vérifiées, pour un

ajustement unique des tuners, en vertu du fait qu’elles

présentent des impédances d’adaptation proches. Les

tuners de drain et de source sont ajustés selon les

impédances d’adaptation de la technologie A. Nous

faisons l’hypothèse que cette impédance est constante

dans la bande-passante du signal. Une adaptation en

puissance en entrée, est favorable à la mesure de

linéarité : le générateur et l’amplificateur à tube peuvent

être mis en œuvre avec de forts reculs en puissance. La

génération de non-linéarité liée aux instrumentations est

par conséquent minimisée.

3.2. Résultats de linéarité usuels

Les critères de linéarité usuels, largement répandus, se

rapportent à des mesures n’employant pas de modulation

complexe. Nos mesures emploient effectivement des

signaux dotés de porteuses non-modulés et reposent sur la

quantification des seuls produits d’intermodulation

passifs. Nous relevons, en sortie des dispositifs :

distorsions d’amplitude (AM/AM) et de phases

(AM/PM), taux d’intermodulation d’ordre 3 (C/I3), points

de compression à 1 dB et d’interception d’ordre 3 (P1dB et

IP3). Certaines définitions sont explicitées (équations 1 et

2). Les rendements en puissance ajoutée (PAE) sont

mesurés simultanément.

3

)(

)(

)(3

IMW attsi

porteusesW attsi

fPout

fPout

dBcI

C

Equation 1. Définition du taux d’intermodulation d’ordre 3

)arg()(/1

2

a

bPMAM

Equation 2. Définition de la distorsion de phase AM / PM.

1a et2b sont respectivement les ondes de puissances

(complexes) incidentes en entrée et réfléchie en sortie du dispositif.

La distorsion d’amplitude est simplement représentée par

le gain en puissance. Elle peut, de même que la distorsion

de phase, être mesurée à chaque fréquence porteuse ou

selon une moyenne de chacune d’entre-elles. Nous

traçons dans un premier temps les courbes de gain en

puissance (moyenné) et PAE (figure 4). Les profils de

gain admettent une augmentation locale avant

compression, phénomène fréquemment observé pour les

classes de polarisation profondes, expliquant des valeurs

relativement élevées de P1dB.

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

5 10 15 20 25 30 35

Gain en puissance

(dB)

Pout (dBm)

Techno ATechno BTechno C

1 ton2 tons8 tons

353637383940414243444546474849505152

29 30 31 32 33 34

PAE (%)

Pout (dBm)

Techno ATechno BTechno C

1 ton2 tons8 tons

Figure 4. Gain en puissance (dB) et PAE (%) en fonction de la puissance de sortie Pout (dBm). L’intervalle est limité autour des maximums de PAE.

Plus grand est le nombre de tons, moindre est la

puissance de saturation, en raison de facteurs-de-crête

plus élevés. La technologie A présente plus de gain, le

banc étant optimisé en puissance pour celle-ci. Les

valeurs de PAE avoisinent 50 %. Un signal télécom

moderne se compose d’une multitude de porteuses

soumises à modulation complexe (amplitude et phase

conjointe). Par ailleurs, les distorsions de phases sont

particulièrement nuisibles au bon fonctionnement des

radars à haute-résolution. A ce titre, la superposition des

tracés de distorsions d’amplitude et phase à chaque

fréquence porteuse illustre la dispersion intra-bande

initiée par les dispositifs sous test et ses implications au

niveau système ; le résultat issu de mesure 8 tons est

représenté figure 5.

838587899193959799101103105107109

101112131415161718192021

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 19 21 23 24 26 28 29 30 31 32

AM/PM ( °)AM/AM (dB)

Pout (dBm)

Techno ATechno BTechno C

f1

f8

f1

f8

Figure 5. Tracés des AM/AM (dB) et AM/PM (°) à chaque fréquence porteuse fi (i = 1 8, mesure 8 tons) en fonction de la puissance de sortie Pout (dBm).

Les critères de C/I3, P1dB et IP3 sont présentés dans la

figure 6. Les profils de C/I3 ne sont pas linéaires à bas-

niveaux de puissance. De plus, les valeurs de P1dB sont

plus élevées que les IP3, Ces résultats contredisent les

soubassements théoriques de ces critères, rendant leurs

applications insuffisantes, voir inadaptées, pour

caractériser la linéarité des composants actifs à état

solide. Elles permettent toutefois de classifier

primairement des technologies; des critères de linéarité

plus élaborés devant être évaluées en complément.

202530354045505560657075

-5 0 5 10 15 20 25 30 35

C/I3 (dBc)

Pout (dBm)

Techno ATechno BTechno C 2 tones

8 tones

33,4 34 32,7

28,67

32,66

22,164

Techno A Techno B Techno C

IP3

(dBm)

P1dB

(dBm)

Figure 6. Tracés des C/I3 et résultats P1dB et IP3

3.3. Analyse approfondie de la distorsion non-

linéaire

Un traitement distinct des données de mesures

‘brutes’, nous permet de visualiser les formes d’ondes

d’enveloppe, mener ainsi des analyses complémentaires

de linéarité. Nous restreignons dès à présent l’exposé à

des mesures 8 tons portées sur la technologie A. La

comparaison des caractéristiques d’enveloppe avec leurs

équivalents fréquentiels est donnée en figure 7. En

moyenne, les caractéristiques d’enveloppe et

fréquentielles se confondent, nous assurons ainsi que le

passage dans le domaine temporel n’est pas biaisé. Le

caractère dispersif des tracés rend compte de l’influence

des effets de pièges, exacerbés à fort niveaux de

puissance (moyenne), ce qui peut être à l’origine de

dérives temporelles telles que la désadaptation en entrée.

Figure 7. Gain en puissance et coefficients de réflexion en entrée/charge pour trois niveaux de puissance moyenne. Les caractéristiques fréquentielles sont repérés par des majuscules.

La fonction de distribution statistique, désignée par

l’expression anglaise ‘Complementary Cumulative

Distribution Function’ (CCDF), de la puissance

instantanée d’enveloppe de sortie est représentée pour

deux niveaux de puissance (figure 8). L’enveloppe voit sa

dynamique évoluer de sorte que le facteur-de-crête

(repéré PAPR) chute de 3.8 dB à forte puissance, les

sollicitations à des étages de compression étant à l’origine

d’écrêtages temporel, de distorsion d’amplitude.

LP pout

HP pout

LP PAPRHP PAPR

3.8 dB

= - 4 dBm (LP) = 31 dBm (HP)

CCDF (%)

Peak-to-Average (dB)

Figure 8. CCDF de la puissance instantanée d’enveloppe en sortie à bas et forts niveaux de puissance moyenne.

Les chronogrammes des puissances instantanées

d’enveloppe, en entrée et en sortie du dispositif, sont

représentés à deux niveaux de puissance moyenne (figure

9), révélant des distorsions d’amplitude et phase à fort

régime.

pin(mW)

pin(W)

pout(mW)

pout(W)

= -4 dBm

= 31 dBm

Figure 9. Puissances instantanées d’enveloppe à bas/ forts niveaux de puissance moyenne. pin(out) est la puissance instantanée d’enveloppe en entrée (charge).

Les régimes à forte puissance, bien que favorables au

rendement (PAE) nuisent à l’intégrité des signaux du

point de vue de la distorsion non-linéaire en amplitude et

phase. Les représentations temporelles nous permettent

ainsi d’étudier les phénomènes non-linéaires de manière

complémentaire, sinon approfondie, vis-à-vis des critères

usuels basés sur une stricte lecture fréquentielle des

signaux. L’influence d’effets parasites tels que les pièges

peut être analysée.

4. Conclusion

Un banc load-pull multi-tons, dédié à la

caractérisation de composants actifs, est présenté. Sa

configuration est optimisée pour des mesures 8 tons. La

mesure étant réalisée sous-pointe avec des signaux

émulant la modulation télécom ; toute chaine de

modulation/démodulation proscrite par ailleurs, confère

au banc un intérêt certain pour caractériser et étudier la

linéarité des composants actifs dans des cadres

industriels. Des mesures sur technologies HEMT GaN,

provenant de deux fonderies concurrentes, sont enfin

présentées; l’analyse des signaux temporels d’enveloppe

permettant d’appréhender plus précisément la distorsion

non-linéaire, notamment l’influence des effets de pièges.

Références

[1] J. P. Teyssier, J. Sombrin, R. Quere, S. Laurent, et F.

Gizard, « A test set-up for the analysis of multi-tone

intermodulation in microwave devices », in Microwave

Measurement Conference (ARFTG), 2014 84th ARFTG,

2014, p. 1‑3.

[2] R. J. Westcott, « Investigation of multiple f.m./f.d.m.

carriers through a satellite t.w.t. operating near to

saturation », Proc. Inst. Electr. Eng., vol. 114, no 6, p.

726‑740, juin 1967.

[3] F. De Groote, J.-P. Teyssier, J. Verspecht, et J. Faraj,

« High power on-wafer capabilities of a time domain load-

pull setup », in Microwave Symposium Digest, 2008 IEEE

MTT-S International, 2008, p. 100‑102.

[4] J. X. Qiu, A. M. Darwish, E. A. Viveiros, K. Kingkeo, et

H. A. Hung, « Linearity Characterization and Optimization

of Millimeter-Wave GaN HEMTs », IEEE Trans. Microw.

Theory Tech., vol. 59, no 12, p. 3419‑3427, déc. 2011.