執(zhí)行毫米波測(cè)試分析的4個(gè)技巧

微波和毫米波頻率的工程設(shè)計(jì)有著內(nèi)在的挑戰(zhàn)性。當(dāng)射頻工程師轉(zhuǎn)向毫米波頻率和更寬帶寬的設(shè)計(jì)時(shí)，他們必須解決微波和毫米波頻段帶寬更寬、數(shù)據(jù)速率更高所帶來(lái)的噪聲增加問(wèn)題。如此處所示，這種噪聲降低了信噪比（SNR），并最終減小了信道容量增益。

圖1：比較不同信道帶寬的最大頻譜效率。

S 形曲線顯示了頻譜容量和信道效率如何隨著帶寬的增加而減小

圖1還顯示了現(xiàn)有業(yè)務(wù)的頻譜效率和使用的信道帶寬。射頻工程師已經(jīng)將這方面的理論 轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。隨著毫米波技術(shù)的普及，這些權(quán)衡都可以優(yōu)化。

執(zhí)行毫米波頻率測(cè)試是一項(xiàng)需要小心謹(jǐn)慎的重要工作。在較低頻率下可以忽略的許多因素在毫米波應(yīng)用中變得非常重要。精度和動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)隨著頻率的增加而下降，而您并不想影響其他特性，包括精度、可重復(fù)性或連接損耗。由于您購(gòu)買的測(cè)量解決方案（包括信號(hào)分析儀、信號(hào)發(fā)生器和相關(guān)設(shè)備）變得更加昂貴，所以您希望盡量發(fā)揮其全部性能，并盡量節(jié)省成本。

無(wú)論是否在毫米波頻率上進(jìn)行過(guò)多次測(cè)量，您可能都會(huì)關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展。隨著無(wú)線和其他應(yīng)用向更高頻率和更寬帶寬發(fā)展，頻率覆蓋范圍不再短缺。在毫米波頻率上進(jìn)行精確、可靠的測(cè)量必然會(huì)對(duì)您提出挑戰(zhàn)，要求您磨練自身技能，并更加重視某些您在射頻乃至微波頻率上曾經(jīng)忽視的要素。

向更高頻率和更寬帶寬發(fā)展時(shí)，這四個(gè)優(yōu)化毫米波信號(hào)分析的技巧就顯得異常重要。

? 技巧 1：連接器保護(hù)器可以發(fā)揮重要作用。

圖2：許多毫米波信號(hào)發(fā)生器和分析儀的前面板使用有大直徑凸面法蘭的陽(yáng)頭連接器。

作為連接器保護(hù)器的同軸適配器是一個(gè)實(shí)用的配件，以減輕磨損和損壞更微妙的輸入連接器。解決連接權(quán)衡的一個(gè)方法是不采用末端配陽(yáng)頭連接器的常規(guī)電纜，而是使用其他類型的電纜以減少一些適配器。尤其是不經(jīng)常取下電纜時(shí)，電纜可以取代連接器保護(hù)器并簡(jiǎn)化測(cè)試連接。另外，還應(yīng)仔細(xì)考慮電纜長(zhǎng)度和質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)的電纜可能很昂貴，但卻是提高精度和可重復(fù)性最經(jīng)濟(jì)高效的方式。

連接器保護(hù)器的另外兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)是“消耗品”和“可替換”。毫米波連接器自然是小巧精致，而更換儀器前面板連接器則是成本高昂。更重要的是，儀器通常需要重新校準(zhǔn)而暫時(shí)無(wú)法使用。

若需要頻繁改變連接，那么可以將犧牲適配器半永久地連接到儀器的前面板上。當(dāng)適配器損壞或磨損后，可以很容易地以適度的費(fèi)用更換適配器。相對(duì)而言，即使是最昂貴的計(jì)量級(jí)適配器在成本上也少于儀器維修和重新校準(zhǔn)的費(fèi)用。

? 技巧 2：外混頻或直接頻率覆蓋，哪一種是您的最佳選擇？

圖3：這里顯示了兩種解決方案。

預(yù)算和測(cè)試設(shè)置考慮因素將在今天可用選項(xiàng)中決定最佳選擇方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。長(zhǎng)期以來(lái)，外混頻（左）都是進(jìn)行毫米波頻率測(cè)量的一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方式。圖3中，實(shí)用毫米波測(cè)量最初是用外部混頻器（左）實(shí)現(xiàn)的，但是直接覆蓋毫米波頻段的信號(hào)分析儀（右）正用得越來(lái)越多。

外混頻提供了一種成本更低的解決方案，其中頻率范圍較低的分析儀可通過(guò)直接波導(dǎo)輸入來(lái)處理毫米波信號(hào)。在實(shí)際運(yùn)用中，這種設(shè)置比一體化解決方案更加復(fù)雜，但是具有 USB 即插即用功能的智能混頻器等創(chuàng)新使連接和校準(zhǔn)過(guò)程更加方便。外混頻器的缺點(diǎn)是：

1)      它們是分頻段的，這限制了其頻率范圍。

2)      它們?nèi)狈斎胝{(diào)理，如濾波器、衰減器和前置放大器。

3)      此外，它們的有效測(cè)量帶寬受到主機(jī)分析儀中頻帶寬的限制，這對(duì)于經(jīng)常在毫米波頻率上使用的寬帶信號(hào)來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題。

4)      最后，外混頻器通常需要某種信號(hào)識(shí)別過(guò)程，以便分離多余的混頻器產(chǎn)物，這些產(chǎn)物在分析儀顯示屏上表現(xiàn)為假信號(hào)或混疊信號(hào)。對(duì)于窄帶信號(hào)，信號(hào)識(shí)別非常簡(jiǎn)單；但對(duì)于寬帶信號(hào)，則可能很難實(shí)現(xiàn)。

毫米波信號(hào)分析儀提供了一個(gè)在幾乎所有方面都更出色的測(cè)量解決方案，但其價(jià)格也更高。它們提供直接而連續(xù)的頻率范圍和校準(zhǔn)結(jié)果。它們的濾波和處理能力使識(shí)別信號(hào)的過(guò)程變成多余，并且它們的輸入調(diào)理簡(jiǎn)化了靈敏度或動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)化。

靈敏度是毫米波頻率測(cè)量的另一個(gè)基本指標(biāo)。一方面，在這些頻率上很難傳輸高功率，并且所使用的寬帶寬可能會(huì)聚集大量噪聲，從而限制信噪比。優(yōu)化信號(hào)分析儀的顯示平均噪聲電平（DANL）以及謹(jǐn)慎進(jìn)行連接，可以得到優(yōu)異的雜散和****測(cè)量結(jié)果。

? 技巧 3：使毫米波連接達(dá)到正確轉(zhuǎn)矩很容易也很重要。

高頻應(yīng)用中，連接器的扭矩可能非常重要也很有用。使用扭矩扳手時(shí)應(yīng)施加一致的扭矩點(diǎn)，避免損壞，這意味著要注意其限制功能。一致的扭矩將會(huì)對(duì)螺母和連接器結(jié)構(gòu)的其他部分施加一致的應(yīng)力。它有三個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：

1)      一致的機(jī)械對(duì)齊和連接器元件的軸向定位可以確保連接器達(dá)到最佳性能（如回波損耗）和可重復(fù)性。

2)      足夠的張力可以減少由于振動(dòng)、溫度變化或外部機(jī)械作用（如彎曲或扭曲）而導(dǎo)致連接松動(dòng)的可能性。

3)      正確的扭矩可防止連接器因?yàn)檫^(guò)度擰緊而導(dǎo)致變形損壞。

第一個(gè)和第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)通常很難看出來(lái)。連接器性能沒(méi)有達(dá)到最佳水平可能是一個(gè)很難發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，而連接器因過(guò)度擰緊而發(fā)生的變形或損壞可能也無(wú)法僅憑肉眼察覺(jué)。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)比較容易察覺(jué)。用手指確認(rèn)連接器已經(jīng)擰得夠緊之后，你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)它又變松了。也許連接器被碰了一下，也許發(fā)生了更小的事情，比如熱循環(huán)或電纜移動(dòng)，使張力從指尖擰緊時(shí)的“過(guò)低”減少到零。

必須小心地施加扳手的力量，因?yàn)槟銦o(wú)法像用手指調(diào)整那樣感受到力。如果使用多個(gè)適配器或較長(zhǎng)的適配器，或者當(dāng)器件直接連接而沒(méi)有使用電纜來(lái)緩解彎曲應(yīng)力時(shí)，過(guò)度拉緊物體的可能性就會(huì)大大增加。

? 技巧 4：何時(shí)使用同軸器件，何時(shí)使用波導(dǎo)？

大多數(shù)射頻工程師經(jīng)常使用同軸電纜和連接器?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了 110 GHz 的同軸電纜和連接器，乍一看，它們可能比波導(dǎo)更簡(jiǎn)單、更容易操作。無(wú)論您是否經(jīng)常使用波導(dǎo)，最好都要了解各種類型的波導(dǎo)及其特點(diǎn)。

選擇連接時(shí)往往需要同時(shí)考慮電氣和機(jī)械因素。特別是在毫米波及更高頻率范圍內(nèi)，電氣和機(jī)械特性會(huì)非常復(fù)雜。理解它們?nèi)绾蜗嗷ビ绊懀瑢?duì)于更好地執(zhí)行測(cè)量是必不可少的。

同軸連接非常靈活方便。如果條件允許的話，采用同軸器件直接連線是一個(gè)很好的選擇。同軸器件有不同的性價(jià)比，從計(jì)量級(jí)到普通品質(zhì)的都有，其柔性度也分為從極限到半剛性不等。雖然成本很高，特別是精密同軸硬件，但通常還是比波導(dǎo)便宜。當(dāng)器件連接需要某種功率或偏置時(shí)，如進(jìn)行探測(cè)和元器件測(cè)試時(shí)，同軸器件就成為簡(jiǎn)單高效的解決方案。單根電纜可以執(zhí)行多種功能，并且頻率復(fù)用技術(shù)使同軸器件可以承載多個(gè)信號(hào)，包括在不同方向上傳送的信號(hào)。

損耗是選擇波導(dǎo)而非同軸器件的重要原因。出于低功耗和高功耗方面的考慮，工程師往往會(huì)放棄靈活而便利的同軸器件。大多數(shù)情況下，波導(dǎo)在微波和毫米波頻率上的損耗明顯小于同軸器件，而且頻率越高，差別越大。對(duì)于信號(hào)分析來(lái)說(shuō)，損耗越小就意味著靈敏度越高，準(zhǔn)確度也越高。由于分析儀靈敏度通常隨著頻率、頻段或諧波數(shù)的增加而下降，波導(dǎo)的較低損耗可能會(huì)在某些測(cè)量中產(chǎn)生重大差異。而且，由于在高頻率下有效功率越來(lái)越昂貴，波導(dǎo)的典型成本增幅可能會(huì)有所減少。