精密測量促進(jìn)了元件和系統(tǒng)的不斷完善

射頻(RF)/微波網(wǎng)絡(luò)分析儀促進(jìn)了高頻元件及其設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。測量電路和器件的傳輸、反射和阻抗特性的能力使工程師們能優(yōu)化放大器、變頻器、信號(hào)分離和濾波器件以及其它元件的性能。通信和國防系統(tǒng)的性能主要取決于這些元件及其測試系統(tǒng)的性能。 回顧過去 20世紀(jì)40年代和50年代，大多數(shù)高頻通信系統(tǒng)都采用電子管(速調(diào)管、磁控管)和調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)技術(shù)。一些原始的信號(hào)發(fā)生器、功率檢波器和阻抗電橋被用來測量上述元件的傳輸、反射和阻抗特性，使之能制作出成功的系統(tǒng)。為了繪制一個(gè)現(xiàn)代史密斯圖(Smith chart)，每次一個(gè)頻率要進(jìn)行數(shù)小時(shí)繁瑣的手動(dòng)調(diào)諧測量。當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)分析儀是掃頻標(biāo)量分析儀，結(jié)合繁瑣的逐點(diǎn)重繪器件的相對(duì)相位特性。

到60年代，半導(dǎo)體技術(shù)方興未艾。基于半導(dǎo)體二極管的取樣器成為儀器的基本組成部分。這些取樣器用來對(duì)波形取樣，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行相對(duì)幅度和相位測量?；诜挡ㄕ袷幤鞯念l率捷變信號(hào)源允許在寬頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測量。能進(jìn)行掃頻幅度和相位測量的第一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀是建立在8405型矢量電壓表基礎(chǔ)上的8407*型射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀。它允許比較兩個(gè)波形的幅度和相位，但只能工作到110 MHz。

圖1. 8410型網(wǎng)絡(luò)分析儀

1967年，HP公司(Agilent Technologies的前身)推出了將掃頻能力擴(kuò)大到12 GHz的8410網(wǎng)絡(luò)分析儀。這是基于通過組合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析功能的多個(gè)機(jī)箱的臺(tái)式系統(tǒng)(圖1)。當(dāng)時(shí)，S參數(shù)的概念剛開始流行。它將傳輸、反射和阻抗轉(zhuǎn)化成了能夠迅速測量和觀測的單個(gè)圖像。這是高頻設(shè)計(jì)中的變革，使工程師們能著手用剛開始提供的新型高頻半導(dǎo)體器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些器件的優(yōu)勢具有一定的伸縮性。如果設(shè)計(jì)和測量手段不能使設(shè)計(jì)人員最大限度地挖掘這些新器件的潛力，那么它們的應(yīng)用便可能大打折扣。為了從器件中獲得最佳性能，合理測量的互動(dòng)和步驟提示有助于推動(dòng)設(shè)計(jì)和測量的不斷向前發(fā)展。

到70年代，計(jì)算機(jī)面市，從而擴(kuò)大了儀器能力(圖2)。8452自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)運(yùn)而生。這種大型三機(jī)柜系統(tǒng)為電路設(shè)計(jì)人員帶來誤差修正數(shù)學(xué)處理功能、脈沖測量功能和其它功能?？墒?，該系統(tǒng)占用了三個(gè)儀器機(jī)柜。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀可以用單一臺(tái)式機(jī)箱實(shí)現(xiàn)所有這些功能。 1976年推出了8505首臺(tái)集成的、微處理器控制的網(wǎng)絡(luò)分析儀。這類網(wǎng)絡(luò)分析儀在一個(gè)臺(tái)式機(jī)箱內(nèi)包含合成信號(hào)源、接收機(jī)、測試裝置和顯示器，并工作到1.3 GHz。

80年代中期，寬帶固態(tài)信號(hào)源，經(jīng)改進(jìn)的取樣器和微處理器三者的結(jié)合，形成三種十分重要的產(chǎn)品，即8510、8753和8720矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)。8510網(wǎng)絡(luò)分析儀(圖3)成為微波測量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，并促成元件設(shè)計(jì)的許多改進(jìn)。正當(dāng)對(duì)第一代蜂窩電話的要求不斷提高時(shí)，8753網(wǎng)絡(luò)分析儀(圖4)走向市場。8753是首次全誤差修正的射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀。由于它的低價(jià)格和強(qiáng)大功能，故很快成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛用于無線電元件制造中，正如8510和8720成為航空和雷達(dá)元件研發(fā)制造中的主要支柱一樣。

圖2. 8452自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)

圖3. 8510網(wǎng)絡(luò)分析儀

圖4. 8753網(wǎng)絡(luò)分析儀

與此同時(shí)，涌現(xiàn)出了供高頻設(shè)計(jì)人員使用的首批商用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具。模擬和測量之間的相互促進(jìn)，縮短了設(shè)計(jì)周期并增加了功能。這時(shí)涌現(xiàn)出的首款商用微波集成電路曾得到過這種測量和模擬功能的巨大幫助。8720是首批全集成(單機(jī))微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，它在8542推出之后20年嵌入了8542自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀(ANA)的大多數(shù)功能。

90年代，無線電器件的發(fā)展經(jīng)歷了巨大繁榮。這是同時(shí)具有成本壓力和制造量的第一個(gè)高頻用戶市場。網(wǎng)絡(luò)分析儀(曾經(jīng)的研發(fā)工具)成為主流制造設(shè)備。測量速度變得十分重要。在此期間，推出了84000射頻集成電路(RFIC)測試儀(圖5)。這是一種多功能極快的網(wǎng)絡(luò)分析儀。在某些方面，正如70年代8542自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀的情況一樣，這種多機(jī)箱集成電路測試系統(tǒng)引入了一些新功能。它們被融入到現(xiàn)在和未來的臺(tái)式網(wǎng)絡(luò)分析儀中。

圖5. 84000射頻集成電路測試系統(tǒng)

當(dāng)前的技術(shù)

自2000以來，射頻和微波器件的集成度急劇提高。新集成度對(duì)測試設(shè)備提出了新的要求。這便導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分析儀從2端口掃頻測量儀器演變?yōu)榫哂懈鼜V泛能力的網(wǎng)絡(luò)分析儀。早在20世紀(jì)90年代末，商用射頻元件已開始利用平衡(差動(dòng))結(jié)構(gòu)，以充分利用較低的功率要求和更高的隔離度。2001年，推出了4端口E5071AENA網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這類器件的關(guān)鍵改進(jìn)。圖6示出最新的機(jī)型(E5071C)。

圖6. Agilent E5071C型ENA網(wǎng)絡(luò)分析儀

這樣便提供了模擬的平衡-不平衡和混合模S參數(shù)，將平衡式測量完全引入射頻領(lǐng)域，到2006年，對(duì)平衡測量的測試需求向微波領(lǐng)域延伸，利用PNA系列中的解決方案能提供高達(dá)67 GHz的這種能力。無疑，需要將這些技術(shù)擴(kuò)展到更高的頻率。

無線電設(shè)計(jì)的新集成度有可能將許多這類元件(平衡和單端元件)組合為具有大量輸入/輸出(I/O)端口的封裝集成電路。盡管這類元件的總響應(yīng)必須滿足與包含分立元件的設(shè)計(jì)相同的準(zhǔn)則，但集成電路中個(gè)別元件的性能、特別是在隔離度方面可能變壞。因此，十分重要的是，I/O端口應(yīng)適當(dāng)端接，且應(yīng)考慮每個(gè)端口的失配影響。我們可以組合2端口甚至4端口修正測量，但這要求適當(dāng)端接每個(gè)其它端口。測量次數(shù)以N2的方式增加。在利用較多的端口數(shù)時(shí)，這種方法將很快變得不切實(shí)際。

最近，已推出能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)分析儀端口數(shù)的新一代測試儀。這些N端口系統(tǒng)(圖7)利用內(nèi)部開關(guān)和耦合器實(shí)現(xiàn)了測試儀與分析儀的無縫隙組合，給出能直接與2端口或4端口系統(tǒng)相比擬的N端口測試儀性能。此時(shí)，N端口網(wǎng)絡(luò)分析儀的8端口和12端口式與16端口和32端口系統(tǒng)均能同時(shí)供貨。

圖7. PNA多端口系統(tǒng)

若按常規(guī)方式校準(zhǔn)這類儀器十分費(fèi)時(shí)。不過，已擬訂出一些能縮短校準(zhǔn)過程的方法，包括利用電子校準(zhǔn)模塊(Ecal)，它在不影響測量質(zhì)量的情況下只用N個(gè)連接步驟來提供已校測量的全NxN矩陣。傳統(tǒng)的機(jī)械校準(zhǔn)則要求多于N2個(gè)步驟。

除傳統(tǒng)的S參數(shù)測量之外，許多集成元件還要求對(duì)噪聲和失真特性進(jìn)行表征的內(nèi)部放大器。目前的測量解決方案是用于多個(gè)測試設(shè)備的一次連接，但將這些先進(jìn)功能進(jìn)一步組合到單一平臺(tái)是不可避免的。20世紀(jì)90年代的84000測試儀擁有許多這樣的功能。就像網(wǎng)絡(luò)分析儀從8542演變?yōu)?720一樣，我們看到體現(xiàn)84000大部分功能的新型臺(tái)式儀器的出現(xiàn)。對(duì)這些元件分析儀提出的要求是，為各種的需要提供足夠滿意的測量手段。網(wǎng)絡(luò)分析儀要求一個(gè)極快的掃頻源，但這從根本上是與構(gòu)建一個(gè)為互調(diào)測量所要求的有良好相位噪聲和低失真的信號(hào)源相矛盾。

通過采用窄接收機(jī)帶寬所取得的網(wǎng)絡(luò)分析儀的寬動(dòng)態(tài)范圍則與噪聲測量所要求的寬帶寬相矛盾。所有這些使問題進(jìn)一步復(fù)雜化，因?yàn)樵S多移動(dòng)通信系統(tǒng)都是時(shí)域雙工系統(tǒng)而要求進(jìn)行脈沖測量。這類設(shè)備可能包括變頻以及平衡輸入或輸出。所有這些要求必須在不放棄快速測量吞吐量的決定性要求下予以滿足。

最后，上述測量中的每項(xiàng)測量都必須校準(zhǔn)，以確保一致、可重復(fù)和可溯源的結(jié)果。安捷倫的新型PNA-X型網(wǎng)絡(luò)分析儀已具備解決這些任務(wù)的基本條件。PNA-X(圖8)引導(dǎo)向增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)分析儀功能方向的轉(zhuǎn)化，以包括超出傳統(tǒng)S參數(shù)范圍的測量。

圖8. PNA-X元器件分析儀

展望未來

將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析儀與更復(fù)雜的激勵(lì)-響應(yīng)測試系統(tǒng)相結(jié)合的協(xié)同作用，改善了測量結(jié)果的總精度和校準(zhǔn)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀功能允許對(duì)測試設(shè)備與被測件之間的失配和互作用進(jìn)行表征。同時(shí)，激勵(lì)的類型正演變到包括復(fù)合調(diào)制、噪聲甚至直流驅(qū)動(dòng)。被測的響應(yīng)變得更加復(fù)雜，要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善的后處理。因此，將多功能元件集合到單一被測件中會(huì)推動(dòng)將多功能測試集合到單一的相干測試系統(tǒng)的發(fā)展。

一些新應(yīng)用軟件，如PNA中的變頻器應(yīng)用軟件(它提供了首次完全經(jīng)修正的矢量混頻器校準(zhǔn))將繼續(xù)改進(jìn)，并擴(kuò)大到諸如帶嵌入本振的變頻器和數(shù)字射頻測量這樣一些領(lǐng)域。元件對(duì)一個(gè)端口具有數(shù)字接口，而對(duì)另一個(gè)端口則具有射頻接口。這類元件要求目前的邏輯分析儀和協(xié)議分析儀同射頻信號(hào)源和頻譜分析儀相結(jié)合。

正如通信網(wǎng)絡(luò)正向分布式發(fā)展那樣，存在著使測試分布在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的推動(dòng)力。為了對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行維修和支持，需要便攜式和手持式儀器。這些小型儀器需要具有以前只在多機(jī)箱系統(tǒng)中才存在的功能。多機(jī)箱系統(tǒng)的功能需分布在整個(gè)被設(shè)立在遠(yuǎn)處的網(wǎng)絡(luò)上，也許甚至要嵌入其中。一些技術(shù)(如IEEE Standard 1588標(biāo)準(zhǔn)“精密時(shí)間協(xié)議”)將允許在這類網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與觸發(fā)同步。

人們也許試圖作出對(duì)參數(shù)測試的需要可能會(huì)消失的結(jié)論。為什么對(duì)每個(gè)元件不進(jìn)行功能測試?事實(shí)上，盡管功能測試將提供在生產(chǎn)進(jìn)程末端可能采用方便的合格/不合格測試，但一些必須加以驗(yàn)證的功能可能會(huì)變得如此復(fù)雜，以致為確保每個(gè)裝置工作在所有環(huán)境下而使真正的功能測試不切實(shí)際。例如，一個(gè)無線電系統(tǒng)的輸入濾波器設(shè)計(jì)用于去除干擾信號(hào)。檢驗(yàn)存在其它信號(hào)時(shí)系統(tǒng)是否正確的功能測試可能意味著要構(gòu)建各種可能的干擾信號(hào)場景，并對(duì)誤碼率(BER)進(jìn)行測試。檢驗(yàn)這種系統(tǒng)的更有效的方法可能是將掃描正弦信號(hào)加到系統(tǒng)的輸入端，并確定系統(tǒng)的截止特性。但是，隨著元件之間的界面變得更難于接近，將需要確認(rèn)設(shè)計(jì)和控制制造進(jìn)程的新方法。

目前，有可能將Agilent邏輯分析儀嵌入到FPGA設(shè)計(jì)中。今后，只要能對(duì)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行測試，那么，復(fù)雜的激勵(lì)/響應(yīng)功能乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀都有可能直接設(shè)計(jì)到射頻電路中。隨著元件之間的界面變得更加復(fù)雜以及更難探測，組合元件測試似乎可能是檢驗(yàn)未來若干代射頻和微波系統(tǒng)唯一合乎邏輯的解決方案。 結(jié)束語 我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到元件和網(wǎng)絡(luò)分析儀的相互促進(jìn)有助于加速技術(shù)進(jìn)步。展望未來，這種相互提攜現(xiàn)象還是會(huì)不斷在模擬過程中發(fā)生，并將測試嵌入在芯片自身內(nèi)部。網(wǎng)絡(luò)分析儀將用來確定芯片組成部分的基本特性，利用模擬引擎檢驗(yàn)芯片和嵌入的測試儀器設(shè)計(jì)。

在電子器件以外甚至小到納米尺度的材料特性測量領(lǐng)域，激勵(lì)/響應(yīng)表征特性的方式(網(wǎng)絡(luò)分析儀的長處)也存在著不小的機(jī)遇。這些新應(yīng)用和新測量的涌現(xiàn)將使網(wǎng)絡(luò)分析儀在今后許多年都能位于重要的地位。

網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)簡史 Ken Wang

網(wǎng)絡(luò)分析儀(即矢量測量儀器)擁有應(yīng)用誤差修正技術(shù)來改善其精度的獨(dú)特能力。最初，利用短路方式來建立反射幅度的最大電平。精密傳輸線、滑動(dòng)負(fù)載和滑動(dòng)短路器被用作阻抗標(biāo)準(zhǔn)。精密衰減器，如活塞式衰減器和旋轉(zhuǎn)翼片可變衰減器，用來建立傳輸損耗參考電平。潤滑脂筆等用來在CRT顯示器上或儀表顯示器上標(biāo)出參考電平。這類校準(zhǔn)方法能消除某些標(biāo)量誤差。8407和8410掃頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使之能修正某些矢量誤差。8542使全矢量誤差修正首次成為可能。還可能使一些非理想標(biāo)準(zhǔn)，如開路標(biāo)準(zhǔn)，由器件模型定義。短路-開路-負(fù)載-直通校準(zhǔn)已全面啟用。

對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)校準(zhǔn)方法研究的升溫帶來了一系列直通-反射-傳輸線校準(zhǔn)方式。這類校準(zhǔn)已在8510上執(zhí)行。測量精度變得受校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)精度的限制。因此，引入了超精密參考傳輸線和無縫隙陰接觸。為了簡化校準(zhǔn)而發(fā)明了電子校準(zhǔn)、一次連接和軟件控制的順序校準(zhǔn)過程。多端口、差動(dòng)及非線性校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前的任務(wù)。