(57)【要約】  従来の高周波測定方法では、増幅器に高周波信号を入力した際の高周波性能の変動を正確に把握することができない問題がある。本発明にかかる高周波測定方法の一態様は、所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間（τ）と第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間（Ｔ−τ）が周期的に繰り返される試験信号（ＴＳ）を生成し、試験信号（ＴＳ）を入力信号として被測定物（１０）に入力し、被測定物（１０）の出力信号（ＯＵＴ）と、出力信号（ＯＵＴ）の理想値との差分を測定する。
2018146901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器又は半導体増幅素子を被測定物とする高周波測定方法であって、
所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間と前記第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間が周期的に繰り返される試験信号を生成し、
前記試験信号を入力信号として前記被測定物に入力し、
前記被測定物の出力信号と、前記出力信号の理想値との差分を測定する高周波測定方法。
【請求項２】
前記試験信号が前記第１の電力レベルを維持する期間は、前記被測定物に想定される入力信号が前記第１の電力レベルとなる期間に相当する長さに設定される請求項１に記載の高周波測定方法。
【請求項３】
前記差分は、前記出力信号の時間応答又は周波数応答に関する差分である請求項１又は２に記載の高周波測定方法。
【請求項４】
前記差分は、前記出力信号の電力波形、波形歪み、位相回転量及び伝達遅延の少なくとも１つに関する前記理想値と前記出力信号の差分である請求項１又は２に記載の高周波測定方法。
【請求項５】
前記増幅器又は半導体増幅素子は、化合物半導体で形成されるトランジスタにより形成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波測定方法。
【請求項６】
前記第１の電力レベルは、前記第２の電力レベルよりも高い請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高周波測定方法。
【請求項７】
前記理想値は、前記試験信号に基づき生成される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高周波測定方法。
【請求項８】
化合物半導体で形成されるトランジスタを被測定物とする高周波測定方法であって、
所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間と前記第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間が周期的に繰り返される試験信号を生成し、
前記試験信号を入力信号として前記被測定物に入力し、
前記被測定物の出力信号に基づき前記被測定物の利得変動の時間変化を測定する高周波測定方法。
【請求項９】
所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間と前記第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間が周期的に繰り返される試験信号を生成する信号発生器と、
被測定物の出力信号と、前記出力信号の理想値との差分を測定する測定器と、
を有する高周波測定装置。
【請求項１０】
前記信号発生器は、
前記第１の電力レベルを有する第１の正弦波信号を出力する第１の信号発生器と、
前記第２の電力レベルを有する第２の正弦波信号を出力する第２の信号発生器と、
前記第１の正弦波信号と前記第２の正弦波信号を合成して前記試験信号を出力する合成器と、
を有する請求項９に記載の高周波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高周波測定方法及び高周波測定装置に関し、例えば、高周波信号を増幅する増幅器を測定対象とする高周波測定方法及び高周波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話に代表されるモバイルブロードバンド通信においては、ピーク・アベレージ比（PAPR）が大きく、帯域が数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚある広帯域信号を低歪みで送信する必要がある。特に基地局から送信されるダウンリンク信号に対しては３ＧＰＰ規格の隣接チャネル漏えい電力比を満足しつつ、送信増幅器の低消費電力化を進めるために、増幅器は、信号ＰＡＰＲに対応したバックオフを確保しつつ、デジタルプリディストーション等の歪み補償機能を用いて極力高いレベルで運用することが一般的である。【０００３】
近年の増幅器には増幅素子として小型、高効率化を実現できる化合物半導体（例えば窒化ガリウム（ＧａＮ））を用いたトランジスタが用いられる。ＧａＮトランジスタに高い電界が加わると半導体表層あるいは内部に電荷がトラップされて電流が低下する電流コラプス現象が発生することが知られている。電流コラプス現象は時間とともに緩和される時間応答がある。こうした時間応答はトランジスタの動作点が時間とともに変動することを表し、トランジスタが増幅器に使用される場合は増幅器の特性、例えば電力利得や非線形性が時間とともに変動する。この変動は数百ナノ秒〜数秒にわたって継続する。【０００４】
一方、デジタルプリディストーションは、信号帯域の数倍の帯域をモニターするため数１０ナノ秒〜マイクロ秒のスピードで動作する。この時間は、電流コラプスの緩和時間と同程度の桁であり、デジタルプリディストーションが動作している間に時々刻々増幅器の特性が変化することを意味する。さらに、電流コラプスに伴う増幅器特性の変動量は、印加される高電界の大きさと時間に応じて変動し一様ではない。結果としてデジタルプリディストーションが追従できず歪み補償性能が劣化する問題がある。トランジスタに高電界が印加された場合に発生する電流コラプスの量とその結果としての増幅器性能の変動は、トランジスタ個体によって異なるため、変動量を測定できればデジタルプリディストーションとの親和性を評価することができる。【０００５】
電流コラプスを評価する半導体検査装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の半導体検査装置は、電界効果型トランジスタのソース電極に電気的に接続される第１の検知部と、電界効果型トランジスタのドレイン電極に電気的に接続される第１のカソード電極を有する第１のダイオードと、第１のダイオードの第１のアノード電極に電気的に接続される第２の検知部と、第１のアノード電極に一端が接続される第１の抵抗素子と、第１の抵抗素子の他端に接続される第１の電源と、備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−５７０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の半導体検査装置は、被測定物となる電界効果トランジスタに与える信号が直流信号であるため、増幅器に高周波信号を入力した際の高周波性能の変動を正確に把握することができない問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる高周波測定方法の一態様は、増幅器又は半導体増幅素子を被測定物とする高周波測定方法であって、所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間と前記第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間が周期的に繰り返される試験信号を生成し、前記試験信号を入力信号として前記被測定物に入力し、前記被測定物の出力信号と、前記出力信号の理想値との差分を測定する。【０００９】
本発明にかかる高周波測定方法の別の態様は、化合物半導体で形成されるトランジスタを被測定物とする高周波測定方法であって、所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間と前記第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間が周期的に繰り返される試験信号を生成し、前記試験信号を入力信号として前記被測定物に入力し、前記被測定物の出力信号に基づき前記被測定物の利得変動の時間変化を測定する。【００１０】
本発明にかかる高周波測定装置の一態様は、所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間と前記第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間が周期的に繰り返される試験信号を生成する信号発生器と、被測定物の出力信号と、前記出力信号の理想値との差分を測定する測定器と、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる高周波測定方法及び高周波測定装置によれば、増幅器に高周波信号を入力した際の高周波性能の変動を正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１にかかる高周波測定装置のブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかる高周波測定装置の試験信号を説明する図である。
【図３】実施の形態１にかかる高周波測定装置における被測定物の出力信号の時間応答を説明する図である。
【図４】実施の形態２にかかる高周波測定装置のブロック図である。
【図５】実施の形態３にかかる高周波測定装置のブロック図である。
【図６】実施の形態４にかかる高周波測定装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１４】
まず、実施の形態１にかかる高周波測定装置１は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の化合物半導体で形成されたトランジスタ又は化合物半導体トランジスタを含む増幅器を被測定物とする。
【００１５】
図１に実施の形態１にかかる高周波測定装置１のブロック図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる高周波測定装置１は、被測定物１０を測定するものである。そして、実施の形態１にかかる高周波測定装置１は、信号発生器２０、測定器３０を有する。
【００１６】
信号発生器２０は、所定の周波数を有する正弦波信号であって、電力レベルが第１の電力レベルとなる期間と第１の電力レベルよりも低い第２の電力レベルとなる期間が周期的に繰り返される試験信号ＴＳを生成する。信号発生器２０の構成の一例としては、第１の信号発生器２１、第２の信号発生器２２、合成器２３を有する。
【００１７】
第１の信号発生器２１は、第１の電力レベルを有する第１の正弦波信号ＰＳ１を出力する。第２の信号発生器２２は、第２の電力レベルを有する第２の正弦波信号ＰＳ２を出力する。合成器２３は、第１の正弦波信号ＰＳ１と第２の正弦波信号ＰＳ２を合成して試験信号ＴＳを出力する。なお、第１の信号発生器２１から出力される第１の正弦波信号ＰＳ１の電力レベルと、第２の信号発生器２２から出力される第２の正弦波信号ＰＳ２の電力レベルは、合成器２３での電力損失を考慮する場合には、この電力損失を考慮した好適な電力レベルであるものとする。
【００１８】
測定器３０は、被測定物１０の出力信号ＯＵＴと、出力信号ＯＵＴの理想値との差分を測定する。具体的には、測定器３０は、出力信号ＯＵＴの時間応答又は周波数応答に関する出力信号ＯＵＴと理想値との差分を測定する。出力信号ＯＵＴの時間応答としては、出力信号ＯＵＴの電力波形の時間変化、出力信号ＯＵＴの信号歪み、伝達遅延等が考えられる。出力信号ＯＵＴの周波数応答としては、出力信号ＯＵＴの位相回転量等が考えられる。以下では、測定器３０が出力信号ＯＵＴの電力波形の時間変化を計測するものとして高周波測定装置１を説明する。
【００１９】
続いて、実施の形態１にかかる高周波測定装置１の動作について説明する。まず、試験信号ＴＳについて説明する。図２に実施の形態１にかかる高周波測定装置の試験信号を説明する図を示す。
【００２０】
図２に示すように、試験信号ＴＳは、第１の正弦波信号ＰＳ１と第２の正弦波信号ＰＳ２を合成することで生成される。第１の正弦波信号ＰＳ１は、周期Ｔで第１の電力レベルとなる正弦波が存在する期間と、無信号の期間とが繰り返される信号である。また、第１の正弦波信号ＰＳ１において正弦波が存在する期間τは、携帯電話基地局等で使用される変調波信号のサンプリング間隔や信号フレーム長と同等の桁の時間である数十ナノ秒からミリ秒程度とする。また、第１の正弦波信号ＰＳ１の正弦波の周波数は、携帯電話基地局等で使用される信号のキャリア周波数である８００ＭＨｚから３．５ＧＨｚ程度、或いはミリ波帯を含むより高い周波数であるものとする。第２の正弦波信号ＰＳ２は、電力レベルが第２の電力レベルとなる正弦波が連続する信号である。なお、第２の電力レベルは、第１の電力レベルに比べて著しく小さな電力であり、第１の正弦波信号ＰＳ１と第２の正弦波信号ＰＳ２とを合成した場合に２つの正弦波が存在する期間の電力レベルはほぼ第１の電力レベルとして近似できる程度の電力差があるものとする。
【００２１】
このような第１の正弦波信号ＰＳ１と第２の正弦波信号ＰＳ２を合成することで、期間τの間は第１の電力レベルとなり、期間τが経過した後の期間Ｔ−τの期間は第２の電力レベルとなり、第１の電力レベルの期間と第２の電力レベルとなる期間とが周期Ｔで繰り返される試験信号ＴＳを生成することができる。図２では、試験信号ＴＳを電力レベルで表したグラフも示している。
【００２２】
また、期間Ｔ−τの長さは、被測定物１０で発生した電流コラプス現象の緩和を観測できる程度の長さを設定することが好ましく、例えば、数百ナノ秒〜数秒程度の時間である。
【００２３】
図２に示した試験信号ＴＳを被測定物１０である増幅器または半導体増幅素子に入力すると、第１の電力レベルの期間に被測定物１０において電流コラプス現象が誘起される。そして、試験信号ＴＳの電力レベルが第２の電力レベルになった直後から徐々に電流コラプス現象が緩和される。そこで、電流コラプス現象が発生と緩和が生じた場合の被測定物１０の出力信号ＯＵＴの時間応答について説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる高周波測定装置における被測定物の出力信号の時間応答を説明する図を示す。図３において第１の出力電力レベルは、入力信号レベルが図２の第１の電力レベルの場合に被測定物１０から出力される電力である。また、図３において第２の出力電力レベルは、入力信号レベルが図２の第２の電力レベルの場合で、かつ、被測定物１０において電流コラプスが発生していない場合に被測定物１０から出力される電力である。
【００２４】
図３に示すように、実施の形態１にかかる高周波測定装置１において被測定物１０に試験信号ＴＳを入力したことにより得られる出力信号ＯＵＴの電力波形は、入力信号の電力レベルが第１の電力レベルから第２の電力レベルに切り替わった際に出力信号ＯＵＴの電力が第２の出力電力レベルに対して低下し、その後徐々に第２の出力電力レベルに戻る形状となる。図３では、電流コラプス現象の緩和している期間の波形をＡで示した。
【００２５】
この期間Ａの出力信号ＯＵＴの電力波形を拡大した図を図３の下図に示した。図３の下図に示すように、電流コラプス現象の緩和に起因する電力波形の変化は、時間ｄＴと電力差ｄＰの大きさによって表すことができる。測定器３０では、この時間ｄＴと電力差ｄＰを測定する。測定器３０における測定方法は、３つの測定方法が考えられる。第１の測定方法は、出力信号ＯＵＴの電力レベルが第２の出力電力レベルに戻るまでの時間ｄＴと、出力信号ＯＵＴの電力レベルの変化量ｄＰを測定する方法である。第２の測定方法は、出力信号ＯＵＴの電力レベルが一定の変化量ｄＰとなるまでの時間ｄＴを測定する方法である。第３の測定方法は、入力信号が第１の電力レベルから第２の電力レベルに切り替わった時点から一定時間ｄＴが経過後の出力信号ＯＵＴの電力レベルの変化量ｄＰを測定する方法である。
【００２６】
なお、電流コラプス現象の緩和が生じた場合の出力信号ＯＵＴの電力波形は、線形変化（図３の実線）みに限られず、図３で一点鎖線、或いは、二点鎖線で示したような非線形変化、或いは、波状の変化をすることもある。
【００２７】
上記説明より、実施の形態１にかかる高周波測定装置１及び高周波測定方法では、実際に被測定物１０が運用される際に入力される信号を模擬した試験信号ＴＳを生成し、当該試験信号ＴＳに基づき電流コラプス現象に起因する被測定物１０の利得変化を測定する。これにより、実施の形態１にかかる高周波測定装置１及び高周波測定方法では、被測定物１０の電流コラプス現象を精度良く定量評価することができる。
【００２８】
また、電流コラプス現象は、被測定物１０に印加される高電界の強さと時間により影響度が異なる。そこで、実施の形態１にかかる高周波測定装置１を用いて、第１の電力レベルの大きさや時間τを運用条件に近づけることで、運用状態における電流コラプスによる増幅器特性への影響を測定、評価することができる。
【００２９】
また、電流コラプス現象では、位相特性や遅延特性、歪み特性が変化することが知られている。このような特性についても、測定器３０で測定する項目を変更することで、実施の形態１にかかる高周波測定装置１を用いて、運用状態に近い状態でこれらの特性変化を測定、評価することができる。
【００３０】
なお、上記説明は高電界により電荷がトラップされるＧａＮ半導体の電流コラプス現象を想定して記載してきたが、本願による測定方法は例えばＧａＡｓ等の他の半導体材料におけるドレインラグやゲートラグと呼ばれる事象の高周波特性への影響測定、評価にも適用可能である。
【００３１】
実施の形態２
実施の形態２では、合成器２３の具体例となる合成器２３ａについて説明する。そこで、図４に実施の形態２にかかる高周波測定装置２のブロック図を示す。図４に示すように、合成器２３ａは、方向性結合器である。そして、合成器２３ａは、入出力パスを介して第１の正弦波信号ＰＳ１を伝達し、結合端子に第２の正弦波信号ＰＳ２を入力する。
【００３２】
第１の電力レベルと第２の電力レベルの間には第１の電力レベルの方が第２の電力レベルの方が大きいという関係がある。そのため、方向性結合器において伝送損失の少ない入出力パスを用いて第１の正弦波信号ＰＳ１を伝送することで容易に図２に示すような時間応答を実現できる。さらに、第１の電力レベルと第２の電力レベルとの差は２０ｄＢから３０ｄＢ程度となることがあり、このようなレベル差を方向性結合器の結合量により実現することも可能である。
【００３３】
実施の形態３
実施の形態３では、信号発生器２０の別の形態となる信号発生器２０ｂについて説明する。そこで、図５に実施の形態３にかかる高周波測定装置３のブロック図を示す。図５に示すように、信号発生器２０ｂは、信号発生器２０に第１の減衰器２４、第２の減衰器２５を追加したものである。
【００３４】
第１の減衰器２４は、第１の信号発生器２１と合成器２３との間に設けられる。第１の減衰器２４は、第１の正弦波信号ＰＳ１の振幅を調整する。第２の減衰器２５は、第２の信号発生器２２と合成器２３との間に設けられる。第２の減衰器２５は、第２の正弦波信号ＰＳ２の振幅を調整する。
【００３５】
電流コラプス現象は、印加される電界の強さと時間に依存するため、第１の電力レベルが可変できれば様々な条件での被測定物の振る舞いを測定できる。また、第１の電力レベルは、被測定物の電力利得が線形利得に比べて抑圧されるような非線形領域で動作させるのに十分な高いレベルである必要がある。そこで、第１の減衰器２４を用いることで第１の電力レベルを調整することで、増幅器により必要な高い電力レベルを容易に実現できる。また、電流コラプス現象発生後の特性、つまり図３のＡ部の応答は、第２の信号レベルに依存する。このようなことから、第２の減衰器２５によって第２の電力レベルを可変することで様々な条件での被測定物１０の振る舞いの測定が可能になる。
【００３６】
実施の形態４
実施の形態４では、高周波測定装置１の別の形態となる高周波測定装置４について説明する。そこで、図６に実施の形態４にかかる高周波測定装置４のブロック図を示す。図６に示すように、実施の形態４にかかる高周波測定装置４では、測定器３０に代えて測定器３０ａを有する。
【００３７】
測定器３０ａは、出力信号ＯＵＴの理想値となる波形として被測定物１０の入力信号である試験信号ＴＳを用いる。このように、被測定物１０に入力される信号を用いて出力信号ＯＵＴの理想値を生成することで、試験信号ＴＳの条件の変化に合わせて理想値を設定する必要がなく、測定時間を短縮することができる。
【００３８】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００３９】
この出願は、２０１７年２月８日に出願された日本出願特願２０１７−０２１１５５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００４０】
１  高周波測定装置
２  高周波測定装置
３  高周波測定装置
４  高周波測定装置
１０  被測定物
２０  信号発生器
２１  第１の信号発生器
２２  第２の信号発生器
２３  合成器
２４  第１の減衰器
２５  第２の減衰器
３０  測定器
ＰＳ１  第１の正弦波信号
ＰＳ２  第２の正弦波信号
ＴＳ  試験信号
ＯＵＴ  出力信号
【図１】
2018146901.tif 000003
【図２】
2018146901.tif 000004
【図３】
2018146901.tif 000005
【図４】
2018146901.tif 000006
【図５】
2018146901.tif 000007
【図６】
2018146901.tif 000008
【国際調査報告】
2018146901.tif 000009
2018146901.tif 000010