利用更先進矢量網(wǎng)絡分析儀應對射頻測量挑戰(zhàn)

關(guān)鍵字：矢量網(wǎng)絡分析儀 射頻測量

準確地對高頻器件的線性和非線性特征進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)展趨勢正在改變著對RF和微波器件進行的測試方式。 本文將詳細介紹怎樣通過在矢量網(wǎng)絡分析儀內(nèi)部用兩個信號源以及增加測試系統(tǒng)的測試端口數(shù)量，來使新一代矢量網(wǎng)絡分析儀更加適應現(xiàn)代應用的需求。

精確的線性和非線性測量結(jié)果是保證系統(tǒng)仿真準確性的關(guān)鍵

準確地得到射頻(RF)元器件的幅度和相位性能的測試結(jié)果對現(xiàn)代無線通信和航空/國防系統(tǒng)來說至關(guān)重要。在設(shè)計階段，系統(tǒng)仿真要求準確的元器件底層數(shù)據(jù)，以保證最終系統(tǒng)能工作在所設(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi)。在生產(chǎn)中，準確測量可以保證每個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)常進行測試的元器件。

對于RF元器件來說，使用最廣泛的測量參數(shù)是散射參數(shù)，簡稱為S參數(shù)。這些參數(shù)表征了RF元器件在正向和后向傳輸信號的過程中所表現(xiàn)的反射和傳輸特性(包含幅度和相位的復數(shù)信息)。用S參數(shù)全面描述RF元器件的線性行為對全面的系統(tǒng)仿真來說是必不可少的，但這還是不夠的。因為一旦偏離理想的線性性能，例如幅頻響應特性的不平坦、相頻響應特性的非線性化等，都會嚴重影響系統(tǒng)性能。

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

最常用的對RF元器件的特性進行測量的儀器是矢量網(wǎng)絡分析儀(VNA)，這里所說的“網(wǎng)絡”指的是電子電路概念上的網(wǎng)絡，而不是計算機網(wǎng)絡。傳統(tǒng)上，VNA使用一個作為激勵的RF信號源，并采用多路測量接收機來測量正反兩個方向上的入射、反射和傳輸信號。傳統(tǒng)VNA有兩個測試端口，因為早期的大多數(shù)器件只有一個或兩個端口。為了對多端口器件進行測量，就需要在被測器件(DUT)的各個端口之間多次變換測試電纜和端接負載，直到完成對所有端口的測量。本文將介紹一種更好的方案來代替這種測量方式。

VNA可以利用固定功率的掃頻方式來測量S參數(shù)；也可以用固定頻率的功率掃描方式來測量放大器的增益壓縮。通過這種方式，來量化元器件的線性性能和一些簡單的非線性性能。現(xiàn)在，新型VNA的內(nèi)部設(shè)置有兩個內(nèi)置RF信號源，可以對IMD進行測量，而以前這主要通過兩個外接的信號源和一個頻譜分析儀來完成?；赩NA的測試方法使得在測試過程中對儀表的設(shè)置更加簡單、測量時間更短、準確性更高。這類儀器的一個典型代表就是安捷倫公司新推出的有兩個內(nèi)置信號源的13.5GHz N5230A PNA-L網(wǎng)絡分析儀，該儀器的選件為146。

多端口測量日益得到普遍的應用

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

在降低對外部電磁干擾的易受度及減少對其他系統(tǒng)的電磁干擾方面，平衡電路具有相當大的優(yōu)勢。平衡元器件可以采用有3個RF端口的雙端到單端口器件的形式，也可以采用有4個RF端口的雙端到雙端的形式。4端口VNA現(xiàn)在十分常見，對于工作頻率在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行測量。這些VNA能夠測量平衡器件的差模和共模響應及模式轉(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。在移動電話行業(yè)中，手機和基站中都可以看到這種發(fā)展趨勢。多頻手機可以在多個頻段上工作，可能還包括非電話功能，如GPS或Wi-Fi，這些手機通常都使用4端口模塊，其中包括一個或兩個天線輸入端口、多路開關(guān)、雙工器、濾波器和放大器，所有這些器件都集成到一個基片上。在基站方，雙工器和低噪聲放大器通常集成到有多個RF端口的合路器/分路器中。

在測量此類器件時，由于現(xiàn)在業(yè)內(nèi)普遍要求對帶外抑制性能也要進行測量，導致測試頻率上限通常遠遠高于設(shè)計的工作頻段。例如，對于工作頻率低于2GHz的移動電話進行測試時，最高測試頻率竟高達12.5GHz，只有這樣，才能測得這些元器件是否會對其它頻段的設(shè)備引起干擾。

為同時滿足很多的端口數(shù)量和很高的測試頻率的要求，可以通過使用一個通常放置于VNA底部的外置測試裝置(其中包含更多的測試端口連接器和定向耦合器)及必要的開關(guān)(這些開關(guān)可以讓外部測試裝置與VNA本身緊密地集成在一起)來擴展VNA的端口數(shù)量。通過這種方式，可以實現(xiàn)端口數(shù)很多的多端口測試解決方案，并能測量任意端口對組合之間的信號通道，同時還包括必要的誤差校準程序，消除所有測試端口和通道的系統(tǒng)誤差。安捷倫N5230A PNA-L網(wǎng)絡分析儀就是這樣一款設(shè)備。該設(shè)備利用145選件，與Z5623A K44測試端口擴展底座一道，構(gòu)成一個8端口的13.5GHz測試系統(tǒng)(圖1)。另外，安捷倫最近還推出了基于N5230A PNA-L網(wǎng)絡分析儀(配置有選項225)和U3022AE10測試端口擴展底座的12端口20GHz矢量網(wǎng)絡測試解決方案。

圖1: 安捷倫公司的8端口、13.5GHz矢量測試系統(tǒng)

內(nèi)置兩個RF信號源來簡化放大器和混頻器的測量

盡管使用VNA測量元器件的S參數(shù)、增益壓縮和諧波時只需一個RF源就夠了，但第二個內(nèi)部信號源對比較復雜的非線性測量(如IMD)及高效地測試混頻器和變頻器很有裨益。

對IMD測量，利用功分器或定向耦合器將這兩個信號(在雙音互調(diào)制中通常稱為“音調(diào)”)接合在一起，然后被送到被測放大器(AUT)的輸入端口上。

由于AUT的非線性，在放大器的輸出端口上，除了兩個放大后的輸入信號之外，還一起出現(xiàn)一個互調(diào)制信號。在通信系統(tǒng)中，這些不需要的信號會落在所需的工作頻段內(nèi)，因此無法通過濾波來濾除這些信號。盡管在理論上有無窮多的一系列互調(diào)信號出現(xiàn)，但通常只會測量三階互調(diào)信號，因為它們對系統(tǒng)的影響最大。兩個輸入信號之間的頻率差決定著三階互調(diào)信號出現(xiàn)的位置。例如，如果兩個輸入信號分別為1.881GHz和1.882GHz，那么較低的IMD信號將位于1.880GHz處，而較高的IMD信號將位于1.883GHz處。

圖2顯示了在VNA上進行IMD測量的實例。

圖2：利用VNA實現(xiàn)的IMD測量結(jié)果

上圖顯示的是一次掃描得到的測試曲線，這條測試曲線就像使用頻譜分析儀進行類似的測試時所用方法一樣。工程師們都比較熟悉這種方法，結(jié)果也比較直觀，但是它會提取過多不必要的數(shù)據(jù)，增加了測試時間。下圖顯示的則是一種更好的測試方法，所采集數(shù)據(jù)主要是IMD信號和兩個測試信號。

使用VNA進行這類測量較其它方法相比有兩個明顯的優(yōu)勢。第一，您可以使用一臺測試儀進行一次連接即可以完成所有參數(shù)的測量，包括S參數(shù)、增益壓縮、輸出諧波和IMD。第二，通過利用VNA基于功率計的校準功能，這些測量的準確性要遠遠高于利用普通頻譜分析儀所獲得的結(jié)果。

在進行像混頻器和變換器這類頻率變換器件時也希望在VNA中提供第二個內(nèi)部信號源，因為這些器件要求額外的本振(LO)信號。在進行LO掃描測試時尤其如此。在這種測試中，LO信號和RF輸入信號被同時掃描(以固定的頻率差)。這在寬帶變頻器測試中十分常見，用來測量變頻器前端元器件的頻響。使用內(nèi)置信號源作為LO信號大大改善了速度。例如，與使用外部安捷倫PSG信號源作為LO相比，帶有選件246的N5230A可以把掃描式LO測量的掃描速度提高35倍。圖3顯示了單級變頻器的測量。

圖3：利用VNA實現(xiàn)的單級變頻器測量結(jié)果

上圖是固定的LO測量，顯示了變頻器的頻響。下圖是掃描式LO測量，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量專門設(shè)計的高級誤差校準程序。這些程序校準了在DUT輸入匹配和測試系統(tǒng)源匹配之間的輸入頻率上存在的失配誤差，以及在DUT的輸出匹配與測試系統(tǒng)的負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量結(jié)果中的不匹配波紋。安捷倫還開發(fā)出一種類似技術(shù)，利用該技術(shù)可以實現(xiàn)混頻器和變頻器群時延的低波紋和絕對值測量。

多端口測試系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)高速度和高精度

多端口測試系統(tǒng)的優(yōu)點是與多端口DUT的一次連接就可以進行多項測量，與使用傳統(tǒng)的兩端口VNA相比，大大地提高了測試速度。第一種基于VNA的多端口測試系統(tǒng)使用的是放在VNA測試端口前面的簡單開關(guān)矩陣。雖然這種方法簡單經(jīng)濟，但它在高頻上無法提供現(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試裝置，這種裝置在每個測試端口上都有幾個定向耦合器。在這種方法中，需要用開關(guān)把信號送到VNA進行測試，而這些開關(guān)被置放在耦合器和VNA的接收機之間。這類測試端口擴展底座改善了靈敏度和穩(wěn)定性，而靈敏度和穩(wěn)定性對微波頻率測量尤為重要。

測試端口擴展底座中的開關(guān)既可以是電子開關(guān)，也可以是機械開關(guān)。電子開關(guān)的優(yōu)勢是開關(guān)速度更快、使用壽命沒有上限，但它們的插入損耗較高，不能承受大功率。在測試端口超過12個時，使用眾多的電子式開關(guān)一般會使測試設(shè)備更加昂貴，使用起來也更加困難。機械開關(guān)的射頻特性最好：損耗低，承受功率大。機械開關(guān)一般比電子開關(guān)便宜。但機械開關(guān)的主要缺點是開關(guān)觸點的使用壽命有限。盡管可靠性高的開關(guān)通常保證開關(guān)次數(shù)在500萬次以上，但大批量生產(chǎn)應用通常會導致這些開關(guān)在不到一年內(nèi)就會損壞。安捷倫同時提供基于電子開關(guān)和機械開關(guān)的測試端口擴展底座。選擇哪種端口擴展方式取決于頻率范圍、所需要的端口數(shù)量和具體的應用。許多測試端口擴展底座都有額外的開關(guān)，可以把其它測試部件(如信號組合器)或測試設(shè)備(如噪聲系數(shù)分析儀)切換到測試信號的通道中。這些額外的開關(guān)大大提高了整個測試系統(tǒng)的靈活性。

對多端口測試系統(tǒng)來說，誤差校正是整個解決方案的關(guān)鍵組成部分。基本的VNA校準程序可以校準被測路徑中的所有系統(tǒng)誤差。在多端口環(huán)境中，在特定被測信號路徑之外的測試端口的負載匹配可能會導致明顯的測量誤差。測試端口數(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試端口性能不佳而導致的對整體測試性能的影響，而并不管具體是哪些端口位于測量通道中。這通常稱為N端口校準，其中N是DUT和測試系統(tǒng)的端口數(shù)量。N端口校準提供了最佳的準確性，但代價是提高了掃描數(shù)量，增加了測試時間。端口之間隔離度低的器件或雖然隔離度較高、但必須通過測量進行驗證的器件，通常要求N端口校準，如功分器、混合器件、開關(guān)和隔離器/多路復用器等。

需要N端口校準的一個新應用就是測量高速數(shù)字網(wǎng)絡設(shè)備背板上的物理層結(jié)構(gòu)或連接器上的串擾，及互連電纜上多連接器間的串擾。例如，兩條差分傳輸線在本質(zhì)上相當于一個8端口器件，在測量遠端串擾(FEXT)時，我們會在一對差分線的一端施加差分激勵信號，在另外一對差分線的另一端測量差分響應。如果不使用N端口校準，那么在FEXT測量過程中沒有用到的4個測試端口的負載匹配可能會導致相當大的誤差。對于位于兩條產(chǎn)生干擾的差分線對之間的受干擾的差分線，也需要進行類似的串擾測量。這些測量要求12端口測試系統(tǒng)和12端口校準。要求最高的物理層測試通常要求能夠達到50GHz的測試頻率，有時甚至要求高達67GHz的測試頻率。

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

盡管4端口VNA現(xiàn)在十分常見，但更高的集成度正日益要求測試系統(tǒng)有8個以上的測試端口。通過把VNA與由開關(guān)、耦合器和額外的測試端口組成的外部測試端口擴展底座結(jié)合起來，可以簡便地實現(xiàn)這一目標。通過采用N端口校準，VNA可以在多端口測試系統(tǒng)中得到其所期望的與使用兩端口VNA進行測試時一樣的高精度，同時，對于某一特定的器件，還可以選擇不同的誤差校準電平，來優(yōu)化總的測試精度和測試次數(shù)。