利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)對(duì)射頻測(cè)量挑戰(zhàn)

　　準(zhǔn)確地對(duì)高頻器件的線性和非線性特征進(jìn)行表征的需求以及目前電子產(chǎn)品設(shè)備中子系統(tǒng)集成程度不斷提高的發(fā)展趨勢(shì)正在改變著對(duì)RF和微波器件進(jìn)行的測(cè)試方式。

　　本文將詳細(xì)介紹怎樣通過(guò)在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部用兩個(gè)信號(hào)源以及增加測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試端口數(shù)量，來(lái)使新一代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀更加適應(yīng)現(xiàn)代應(yīng)用的需求。

精確的線性和非線性測(cè)量結(jié)果保證系統(tǒng)仿真準(zhǔn)確性的關(guān)鍵

　　準(zhǔn)確地得到射頻(RF)元器件的幅度和相位性能的測(cè)試結(jié)果對(duì)現(xiàn)代無(wú)線通信和航空/防系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)仿真要求準(zhǔn)確的元器件底層數(shù)據(jù)，以保證最終系統(tǒng)能工作在所設(shè)計(jì)的數(shù)范圍內(nèi)。在生產(chǎn)中，準(zhǔn)確測(cè)量可以保證每個(gè)元器件能夠滿足所公布的技術(shù)規(guī)范。在構(gòu)成RF系統(tǒng)的基本部件中，濾波器、放大器、混頻器、天線、隔離器和傳輸線等都是需要經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試的元器件。

　　對(duì)于RF元器件來(lái)說(shuō)，使用最廣泛的測(cè)量參數(shù)是散射參數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為S參數(shù)。些參數(shù)表征了RF元器件在正向和后向傳輸信號(hào)的過(guò)程中所表現(xiàn)的反射和傳輸特性(包含幅度和相位的復(fù)數(shù)信息)。用S參數(shù)全面描述RF元器件的線性行為對(duì)全面的系統(tǒng)仿真來(lái)說(shuō)是必不可少的，但這還是不夠的。因?yàn)橐坏┢x理想的線性性能，例如幅頻響應(yīng)特性的不平坦、相頻響應(yīng)特性的非線性化等，都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

　　RF元器件的非線性性能也會(huì)影響系統(tǒng)性能。例如，對(duì)于一個(gè)放大器而言，如果驅(qū)動(dòng)的功率電平超出線性范圍，就會(huì)引起增益壓縮、調(diào)幅到調(diào)相(AM-PM)的轉(zhuǎn)換和互調(diào)失真(IMD)。測(cè)量元器件的這些指標(biāo)也很重要。

　　最常用的對(duì)RF元器件的特性進(jìn)行測(cè)量的儀器是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)，這里所說(shuō)的“網(wǎng)絡(luò)”指的是電子電路概念上的網(wǎng)絡(luò)，而不是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)上，VNA使用一個(gè)作為激勵(lì)的RF信號(hào)源，并采用多路測(cè)量接收機(jī)來(lái)測(cè)量正反兩個(gè)方向上的入射、反射和傳輸信號(hào)。傳統(tǒng)VNA有兩個(gè)測(cè)試端口，因?yàn)樵缙诘拇蠖鄶?shù)器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口。為了對(duì)多端口器件進(jìn)行測(cè)量，就需要在被測(cè)器件(DUT)的各個(gè)端口之間多次變換測(cè)試電纜和端接負(fù)載，直到完成對(duì)所有端口的測(cè)量。本文將介紹一種更好的方案來(lái)代替這種測(cè)量方式。

　　VNA可以利用固定功率的掃頻方式來(lái)測(cè)量S參數(shù)；也可以用固定頻率的功率掃描方式來(lái)測(cè)量放大器的增益壓縮。通過(guò)這種方式，來(lái)量化元器件的線性性能和一些簡(jiǎn)單的非線性性能。現(xiàn)在，新型VNA的內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)內(nèi)置RF信號(hào)源，可以對(duì)IMD進(jìn)行測(cè)量，而以前這主要通過(guò)兩個(gè)外接的信號(hào)源和一個(gè)頻譜分析儀來(lái)完成?；赩NA的測(cè)試方法使得在測(cè)試過(guò)程中對(duì)儀表的設(shè)置更加簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)間更短、準(zhǔn)確性更高。這類(lèi)儀器的一個(gè)典型代表就是安捷倫公司新推出的有兩個(gè)內(nèi)置信號(hào)源的13.5GHzN5230APNA-L網(wǎng)絡(luò)分析儀，該儀器的選件為146。

多端口測(cè)量日益得到普遍的應(yīng)用

　　現(xiàn)在，RF系統(tǒng)所使用的許多器件都有三、四個(gè)端口，多至七、八個(gè)端口的器件也變得越來(lái)越常見(jiàn)。導(dǎo)致器件端口數(shù)量提高的原因有兩個(gè)：一個(gè)是平衡元器件的廣泛使用，另一個(gè)是子組件的集成程度不斷提高，如當(dāng)前手機(jī)中使用的前端模塊。

　　在降低對(duì)外部電磁干擾的易受度及減少對(duì)其他系統(tǒng)的電磁干擾方面，平衡電路具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

　　平衡元器件可以采用有3個(gè)RF端口的雙端到單端口器件的形式，也可以采用有4個(gè)RF端口的雙端到雙端的形式。4端口VNA現(xiàn)在十分常見(jiàn)，對(duì)于工作頻率在67GHz以下的任何平衡器件，安捷倫的4端口VNA都可以非常方便地進(jìn)行測(cè)量。這些VNA能夠測(cè)量平衡器件的差模和共模響應(yīng)及模式轉(zhuǎn)換性能。

　　集成程度不斷提高是器件的端口數(shù)量不斷增加的主要因素。在移動(dòng)電話行業(yè)中，手機(jī)和基站中都可以看到這種發(fā)展趨勢(shì)。多頻手機(jī)可以在多個(gè)頻段上工作，可能還包括非電話功能，如GPS或Wi-Fi，這些手機(jī)通常都使用4端口模塊，其中包括一個(gè)或兩個(gè)天線輸入端口、多路開(kāi)關(guān)、雙工器、濾波器和放大器，所有這些器件都集成到一個(gè)基片上。在基站方，雙工器和低噪聲放大器通常集成到有多個(gè)RF端口的合路器/分路器中。

　　在測(cè)量此類(lèi)器件時(shí)，由于現(xiàn)在業(yè)內(nèi)普遍要求對(duì)帶外抑制性能也要進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)試頻率上限通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)的工作頻段。例如，對(duì)于工作頻率低于2GHz的移動(dòng)電話進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最高測(cè)試頻率竟高達(dá)12.5GHz，只有這樣，才能測(cè)得這些元器件是否會(huì)對(duì)其它頻段的設(shè)備引起干擾。

　　為同時(shí)滿足很多的端口數(shù)量和很高的測(cè)試頻率的要求，可以通過(guò)使用一個(gè)通常放置于VNA底部的外置測(cè)試裝置(其中包含更多的測(cè)試端口連接器和定向耦合器)及必要的開(kāi)關(guān)(這些開(kāi)關(guān)可以讓外部測(cè)試裝置與VNA本身緊密地集成在一起)來(lái)擴(kuò)展VNA的端口數(shù)量。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)端口數(shù)很多的多端口測(cè)試解決方案，并能測(cè)量任意端口對(duì)組合之間的信號(hào)通道，同時(shí)還包括必要的誤差校準(zhǔn)程序，消除所有測(cè)試端口和通道的系統(tǒng)誤差。安捷倫N5230APNA-L網(wǎng)絡(luò)分析儀就是這樣一款設(shè)備。該設(shè)備利用145選件，與Z5623AK44測(cè)試端口擴(kuò)展底座一道，構(gòu)成一個(gè)8端口的13.5GHz測(cè)試系統(tǒng)(圖1)。另外，安捷倫最近還推出了基于N5230APNA-L網(wǎng)絡(luò)分析儀(配置有選項(xiàng)225)和U3022AE10測(cè)試端口擴(kuò)展底座的12端口20GHz矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試解決方案。
 
　

圖1: 安捷倫公司的8端口、13.5GHz矢量測(cè)試系統(tǒng)

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內(nèi)置兩個(gè)RF信號(hào)源來(lái)簡(jiǎn)化放大器和混頻器的測(cè)量

　　盡管使用VNA測(cè)量元器件的S參數(shù)、增益壓縮和諧波時(shí)只需一個(gè)RF源就夠了，但第二個(gè)內(nèi)部信號(hào)源對(duì)比較復(fù)雜的非線性測(cè)量(如IMD)及高效地測(cè)試混頻器和變頻器很有裨益。

　　對(duì)IMD測(cè)量，利用功分器或定向耦合器將這兩個(gè)信號(hào)(在雙音互調(diào)制中通常稱(chēng)為“音調(diào)”)接合在一起，然后被送到被測(cè)放大器(AUT)的輸入端口上。圖2說(shuō)明了怎樣使用4端口VNA完成這一測(cè)試。

　
 
圖2：利用4端口VNA實(shí)現(xiàn)IMD測(cè)試連接圖

　　由于AUT的非線性，在放大器的輸出端口上，除了兩個(gè)放大后的輸入信號(hào)之外，還一起出現(xiàn)一個(gè)互調(diào)制信號(hào)。在通信系統(tǒng)中，這些不需要的信號(hào)會(huì)落在所需的工作頻段內(nèi)，因此無(wú)法通過(guò)濾波來(lái)濾除這些信號(hào)。盡管在理論上有無(wú)窮多的一系列互調(diào)信號(hào)出現(xiàn)，但通常只會(huì)測(cè)量三階互調(diào)信號(hào)，因?yàn)樗鼈儗?duì)系統(tǒng)的影響最大。兩個(gè)輸入信號(hào)之間的頻率差決定著三階互調(diào)信號(hào)出現(xiàn)的位置。例如，如果兩個(gè)輸入信號(hào)分別為1.881GHz和1.882GHz，那么較低的IMD信號(hào)將位于1.880GHz處，而較高的IMD信號(hào)將位于1.883GHz處。圖3顯示了在VNA上進(jìn)行IMD測(cè)量的實(shí)例。 
 
　

圖3：利用VNA實(shí)現(xiàn)的IMD測(cè)量結(jié)果

　　上圖顯示的是一次掃描得到的測(cè)試曲線，這條測(cè)試曲線就像使用頻譜分析儀進(jìn)行類(lèi)似的測(cè)試時(shí)所用方法一樣。

　　工程師們都比較熟悉這種方法，結(jié)果也比較直觀，但是它會(huì)提取過(guò)多不必要的數(shù)據(jù)，增加了測(cè)試時(shí)間。下圖顯示的則是一種更好的測(cè)試方法，所采集數(shù)據(jù)主要是IMD信號(hào)和兩個(gè)測(cè)試信號(hào)。

　　使用VNA進(jìn)行這類(lèi)測(cè)量較其它方法相比有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。第一，您可以使用一臺(tái)測(cè)試儀進(jìn)行一次連接即可以完成所有參數(shù)的測(cè)量，包括S參數(shù)、增益壓縮、輸出諧波和IMD。第二，通過(guò)利用VNA基于功率計(jì)的校準(zhǔn)功能，這些測(cè)量的準(zhǔn)確性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于利用普通頻譜分析儀所獲得的結(jié)果。

　　在進(jìn)行像混頻器和變換器這類(lèi)頻率變換器件時(shí)也希望在VNA中提供第二個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，因?yàn)檫@些器件要求額外的本振(LO)信號(hào)。在進(jìn)行LO掃描測(cè)試時(shí)尤其如此。在這種測(cè)試中，LO信號(hào)和RF輸入信號(hào)被同時(shí)掃描(以固定的頻率差)。這在寬帶變頻器測(cè)試中十分常見(jiàn)，用來(lái)測(cè)量變頻器前端元器件的頻響。使用內(nèi)置信號(hào)源作為L(zhǎng)O信號(hào)大大改善了速度。例如，與使用外部安捷倫PSG信號(hào)源作為L(zhǎng)O相比，帶有選件246的N5230A可以把掃描式LO測(cè)量的掃描速度提高35倍。圖4顯示了單級(jí)變頻器的測(cè)量。 
 
　

圖4：利用VNA實(shí)現(xiàn)的單級(jí)變頻器測(cè)量結(jié)果

　　上圖是固定的LO測(cè)量，顯示了變頻器的頻響。下圖是掃描式LO測(cè)量，顯示了變頻器的前端頻響平坦度。

　　安捷倫還提供了為混頻器和變頻器測(cè)量專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的高級(jí)誤差校準(zhǔn)程序。這些程序校準(zhǔn)了在DUT輸入匹配和測(cè)試系統(tǒng)源匹配之間的輸入頻率上存在的失配誤差，以及在DUT的輸出匹配與測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)載匹配之間的輸出頻率上存在的失配誤差，最大限度地降低了變頻損耗和變頻增益測(cè)量結(jié)果中的不匹配波紋。安捷倫還開(kāi)發(fā)出一種類(lèi)似技術(shù)，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)混頻器和變頻器群時(shí)延的低波紋和絕對(duì)值測(cè)量。

多端口測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度和高精度

　　多端口測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是與多端口DUT的一次連接就可以進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量，與使用傳統(tǒng)的兩端口VNA相比，大大地提高了測(cè)試速度。第一種基于VNA的多端口測(cè)試系統(tǒng)使用的是放在VNA測(cè)試端口前面的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)矩陣。雖然這種方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但它在高頻上無(wú)法提供現(xiàn)代器件通常所要求的高性能。更好的方法是使用基于耦合器的測(cè)試裝置，這種裝置在每個(gè)測(cè)試端口上都有幾個(gè)定向耦合器。在這種方法中，需要用開(kāi)關(guān)把信號(hào)送到VNA進(jìn)行測(cè)試，而這些開(kāi)關(guān)被置放在耦合器和VNA的接收機(jī)之間。這類(lèi)測(cè)試端口擴(kuò)展底座改善了靈敏度和穩(wěn)定性，而靈敏度和穩(wěn)定性對(duì)微波頻率測(cè)量尤為重要。

　　測(cè)試端口擴(kuò)展底座中的開(kāi)關(guān)既可以是電子開(kāi)關(guān)，也可以是機(jī)械開(kāi)關(guān)。電子開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)是開(kāi)關(guān)速度更快、使用壽命沒(méi)有上限，但它們的插入損耗較高，不能承受大功率。在測(cè)試端口超過(guò)12個(gè)時(shí)，使用眾多的電子式開(kāi)關(guān)一般會(huì)使測(cè)試設(shè)備更加昂貴，使用起來(lái)也更加困難。機(jī)械開(kāi)關(guān)的射頻特性最好：損耗低，承受功率大。機(jī)械開(kāi)關(guān)一般比電子開(kāi)關(guān)便宜。但機(jī)械開(kāi)關(guān)的主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的使用壽命有限。盡管可靠性高的開(kāi)關(guān)通常保證開(kāi)關(guān)次數(shù)在500萬(wàn)次以上，但大批量生產(chǎn)應(yīng)用通常會(huì)導(dǎo)致這些開(kāi)關(guān)在不到一年內(nèi)就會(huì)損壞。安捷倫同時(shí)提供基于電子開(kāi)關(guān)和機(jī)械開(kāi)關(guān)的測(cè)試端口擴(kuò)展底座。選擇哪種端口擴(kuò)展方式取決于頻率范圍、所需要的端口數(shù)量和具體的應(yīng)用。許多測(cè)試端口擴(kuò)展底座都有額外的開(kāi)關(guān)，可以把其它測(cè)試部件(如信號(hào)組合器)或測(cè)試設(shè)備(如噪聲系數(shù)分析儀)切換到測(cè)試信號(hào)的通道中。這些額外的開(kāi)關(guān)大大提高了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的靈活性。

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　　對(duì)多端口測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，誤差校正是整個(gè)解決方案的關(guān)鍵組成部分?；镜腣NA校準(zhǔn)程序可以校準(zhǔn)被測(cè)路徑中的所有系統(tǒng)誤差。在多端口環(huán)境中，在特定被測(cè)信號(hào)路徑之外的測(cè)試端口的負(fù)載匹配可能會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差。測(cè)試端口數(shù)量越多，潛在的誤差可能性越大，產(chǎn)生誤差的程度與DUT端口之間的隔離度有關(guān)?，F(xiàn)代的VNA可以校正所有由于測(cè)試端口性能不佳而導(dǎo)致的對(duì)整體測(cè)試性能的影響，而并不管具體是哪些端口位于測(cè)量通道中。這通常稱(chēng)為N端口校準(zhǔn)，其中N是DUT和測(cè)試系統(tǒng)的端口數(shù)量。N端口校準(zhǔn)提供了最佳的準(zhǔn)確性，但代價(jià)是提高了掃描數(shù)量，增加了測(cè)試時(shí)間。端口之間隔離度低的器件或雖然隔離度較高、但必須通過(guò)測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證的器件，通常要求N端口校準(zhǔn)，如功分器、混合器件、開(kāi)關(guān)和隔離器/多路復(fù)用器等。

　　需要N端口校準(zhǔn)的一個(gè)新應(yīng)用就是測(cè)量高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)設(shè)備背板上的物理層結(jié)構(gòu)或連接器上的串?dāng)_，及互連電纜上多連接器間的串?dāng)_。例如，兩條差分傳輸線在本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)8端口器件，在測(cè)量遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)時(shí)，我們會(huì)在一對(duì)差分線的一端施加差分激勵(lì)信號(hào)，在另外一對(duì)差分線的另一端測(cè)量差分響應(yīng)。如果不使用N端口校準(zhǔn)，那么在FEXT測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有用到的4個(gè)測(cè)試端口的負(fù)載匹配可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。對(duì)于位于兩條產(chǎn)生干擾的差分線對(duì)之間的受干擾的差分線，也需要進(jìn)行類(lèi)似的串?dāng)_測(cè)量。這些測(cè)量要求12端口測(cè)試系統(tǒng)和12端口校準(zhǔn)。要求最高的物理層測(cè)試通常要求能夠達(dá)到50GHz的測(cè)試頻率，有時(shí)甚至要求高達(dá)67GHz的測(cè)試頻率。

　　為了改善測(cè)量時(shí)間，許多多端口器件在測(cè)試的時(shí)候通常會(huì)分成數(shù)個(gè)M端口的測(cè)量和M端口的校準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，其中M總結(jié)基于先進(jìn)VNA的測(cè)試系統(tǒng)為測(cè)量當(dāng)前無(wú)線通信、軍用系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理層中使用的RF和微波元器件提供了核心測(cè)量引擎。在VNA內(nèi)部配置兩個(gè)信號(hào)源簡(jiǎn)化并加快了對(duì)放大器、混頻器和變頻器的測(cè)量速度，同時(shí)還能保證很高的測(cè)試精度。在測(cè)試放大器的時(shí)候，內(nèi)置的這兩個(gè)信號(hào)源可以用來(lái)測(cè)量S參數(shù)、增益壓縮和諧波以及產(chǎn)生測(cè)量IMD所需的信號(hào)。在測(cè)試混頻器和頻率變換器件時(shí)，其中的一個(gè)信號(hào)源可以作為混頻器或頻率變換器件的輸入信號(hào)，而另外一個(gè)信號(hào)源則可以當(dāng)作本振信號(hào)，這樣對(duì)器件進(jìn)行一次連接就能同時(shí)完成固定本振測(cè)量和本振掃描測(cè)量。

　　盡管4端口VNA現(xiàn)在十分常見(jiàn)，但更高的集成度正日益要求測(cè)試系統(tǒng)有8個(gè)以上的測(cè)試端口。通過(guò)把VNA與由開(kāi)關(guān)、耦合器和額外的測(cè)試端口組成的外部測(cè)試端口擴(kuò)展底座結(jié)合起來(lái)，可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過(guò)采用N端口校準(zhǔn)，VNA可以在多端口測(cè)試系統(tǒng)中得到其所期望的與使用兩端口VNA進(jìn)行測(cè)試時(shí)一樣的高精度，同時(shí)，對(duì)于某一特定的器件，還可以選擇不同的誤差校準(zhǔn)電平，來(lái)優(yōu)化總的測(cè)試精度和測(cè)試次數(shù)