微波射頻測(cè)試技術(shù)白皮書

微波射頻測(cè)試技術(shù)白皮書

第一部分：微波技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

微波射頻電路是整個(gè)電子系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成發(fā)射和接收信號(hào)的功率控制和頻率搬移，對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)靈敏度，動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)有決定性的影響。典型的微波射頻電路包含天線，放大器，濾波器，頻率合成器，傳輸線等有源和無源電路。隨著系統(tǒng)功能和性能要求的提高，電子系統(tǒng)對(duì)這些電路的要求越來越高，而且很多性能指標(biāo)的要求還是互相制約的，例如為提高系統(tǒng)的傳輸效率和抗干擾能力，無線通信采用了復(fù)雜調(diào)制技術(shù)，從MSK調(diào)頻到PSK調(diào)相再到多載波的OFDM調(diào)制方式，這會(huì)造成信號(hào)的功率動(dòng)態(tài)范圍越來越大，對(duì)于放大器而言就要求盡量寬的線性范圍，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)放大器的效率有嚴(yán)格要求以保證功率利用率指標(biāo)，這對(duì)于傳統(tǒng)放大器技術(shù)來講是很難滿足的。這個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)大大推動(dòng)了功率放大器線性化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展?，F(xiàn)在射頻微波應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)有以下典型的幾個(gè)特點(diǎn)：

特點(diǎn)1：新型的半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

無論在大功率器件還是降低器件噪聲性能上，由于新半導(dǎo)體材料的使用讓電路的性能得到提高，例如：GaN材料大大提高了功率管的輸出功率, 而磷化銦材料大大降低了微波放大器的噪聲系數(shù)。

圖1 微波集成電路技術(shù)

特點(diǎn)2：頻率資源的擴(kuò)展

通過獲得更寬的頻率資源來獲得系統(tǒng)性能的增益是很多電子系統(tǒng)采用的技術(shù)，例如LTE中的頻率聚合技術(shù)，通過毫米波工作頻段的使用來提高傳輸速率并降低干擾等。毫米波的應(yīng)用從簡單的汽車防撞雷達(dá)擴(kuò)展到寬帶通信等領(lǐng)域。無線通信的信號(hào)帶寬從幾百KHz擴(kuò)展到了超過100MHz的帶寬。

特點(diǎn)3：數(shù)字技術(shù)和射頻技術(shù)的結(jié)合

數(shù)字預(yù)失真功率放大器是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和射頻微波技術(shù)結(jié)合最好的代表。通過數(shù)字技術(shù)來擴(kuò)展單一功率放大器的線性范圍，線性化技術(shù)也被認(rèn)為是射頻技術(shù)的核心內(nèi)容。

特點(diǎn)4：多通道技術(shù)

無論是軍用相控陣?yán)走_(dá)還是無線通信中的智能天線都是通過采用多通道技術(shù)來實(shí)現(xiàn)空間波束的控制和合成，通道數(shù)量從幾個(gè)通道到上萬通道不等，這對(duì)于射頻微波電路的研制開發(fā)來講是機(jī)遇也是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

第二部分；先進(jìn)測(cè)試儀表的技術(shù)說明

測(cè)試儀表是技術(shù)開發(fā)的重要技術(shù)資源，射頻微波測(cè)試領(lǐng)域常用的儀表包含網(wǎng)絡(luò)分析儀，信號(hào)源，頻譜分析儀，功率計(jì)，相噪分析儀，示波器等，為適應(yīng)微波射頻技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)和測(cè)試儀表也在發(fā)生很大的變化，為先進(jìn)技術(shù)開發(fā)提供新的測(cè)試手段和技術(shù)途徑。

2.1先進(jìn)微波射頻測(cè)試儀表的典型特點(diǎn)

現(xiàn)在射頻微波測(cè)試儀表的典型技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)有以下幾個(gè)方面：

特點(diǎn)1：仿真軟件和測(cè)試儀表的結(jié)合

先通過軟件數(shù)字仿真設(shè)計(jì)然后再進(jìn)行電路實(shí)物實(shí)現(xiàn)已經(jīng)是射頻微波電路實(shí)現(xiàn)的規(guī)范化技術(shù)流程，現(xiàn)在微波電路仿真EDA工具和測(cè)試儀表的技術(shù)互聯(lián)更加緊密，Agilent ADS仿真軟件和PNA-X/PXA/PSG微波儀表是仿真軟件和測(cè)試儀表結(jié)合應(yīng)用的典型例子。在ADS仿真環(huán)境下，首先可以進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，包含在系統(tǒng)的框架下對(duì)射頻電路的指標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃和分配，例如接收機(jī)電路的中頻選擇，多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的功率壓縮點(diǎn)，噪聲系數(shù)等參數(shù)的分配。當(dāng)指標(biāo)分配好后，再利用電路仿真工具完成電路的原理圖設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)。測(cè)試儀表的功能包含被測(cè)件性能評(píng)估，器件模型建立等，特別是通過儀表測(cè)試來完成準(zhǔn)確的器件模型建立是保證仿真精度的重要基礎(chǔ)，微波電路建模技術(shù)最大的突破就是利用基于PNA-X的非線性網(wǎng)絡(luò)儀能測(cè)試功率放大器的非線性成份的幅度和相位信息，提供完整的線性S參數(shù)和非線性X參數(shù)模型。Agilent B1500A能完成器件直流I/V,C/V參數(shù)測(cè)試，用于微波器件的直流參數(shù)建模。

基于仿真軟件和測(cè)試儀表能構(gòu)建閉環(huán)的微波電路設(shè)計(jì)平臺(tái)，針對(duì)任何一個(gè)微波技術(shù)問題，都能有匹配的仿真工具和測(cè)試手段來配合，能大大提高電路實(shí)現(xiàn)的效率。

圖2 基于仿真軟件和測(cè)試儀表構(gòu)建的微波電路設(shè)開發(fā)臺(tái)

特點(diǎn)2：平臺(tái)化儀表的概念

無論是信號(hào)源，信號(hào)分析儀還是網(wǎng)絡(luò)分析儀這些傳統(tǒng)的射頻微波測(cè)試儀表，數(shù)字化技術(shù)在儀表中正越來越多的得到應(yīng)用，儀表都采用矢量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，這樣可以利用平臺(tái)化的儀表來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，例如矢量信號(hào)源通過波形計(jì)算，基帶DAC轉(zhuǎn)換和IQ調(diào)制來建立信號(hào)，針對(duì)不同應(yīng)用，只需要利用不同的信號(hào)建立軟件工具來計(jì)算信號(hào)波形數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)，而不需要更改硬件平臺(tái)。在信號(hào)分析應(yīng)用中，射頻微波領(lǐng)域最常用的頻譜儀技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，頻譜儀中重要的中頻濾波，檢波處理等都已采用ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)來完成，這樣能大大提高儀表頻譜測(cè)試的性能，同時(shí)還能通過解調(diào)分析處理算法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)分析，這樣單臺(tái)的分析儀表同時(shí)具備了頻譜和時(shí)域的關(guān)聯(lián)測(cè)試，解調(diào)測(cè)試，信號(hào)存儲(chǔ)等多功能。針對(duì)不同的信號(hào)解調(diào)分析，只需要切換分析的軟件就可完成。基于這些實(shí)現(xiàn)技術(shù)，平臺(tái)化的信號(hào)源儀表和分析儀表能滿足從無線通信到雷達(dá)應(yīng)用不同系統(tǒng)的測(cè)試要求，大大提高儀表的使用效益。

圖3 平臺(tái)化測(cè)試儀表

特點(diǎn)3：分析和判斷能力的提高

儀表最基本的功能是提供被測(cè)對(duì)象的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)測(cè)試結(jié)果不滿足要求時(shí)，先進(jìn)儀表能提供的技術(shù)能力能大大提高故障判斷的效率，為問題的解決提供豐富的技術(shù)途徑。首先現(xiàn)在儀表能對(duì)被測(cè)電子系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)立的測(cè)試手段，包含數(shù)字信號(hào)，基帶信號(hào)，中頻和射頻信號(hào)等，而且分析的工具能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化，如圖4所示，可以利用邏輯分析儀，示波器，頻譜儀分別對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字基帶，模擬基帶和射頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，這些儀表采集的信號(hào)波形數(shù)據(jù)都能通過矢量分析軟件來進(jìn)行分析，分析功能包含頻譜，時(shí)域和解調(diào)分析等。這樣在統(tǒng)一的分析環(huán)境下對(duì)數(shù)字信號(hào)，基帶信號(hào)和射頻信號(hào)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，能大大提高問題定位的效率。另外在信號(hào)分析的手段上，分析軟件能獨(dú)立地分析信號(hào)的幅度誤差，頻率誤差和相位誤差，這樣可以判斷誤差的基本來源，分析過程中，可以利用時(shí)域和頻域的關(guān)聯(lián)分析來得到誤差的特性是隨機(jī)誤差還是周期誤差，這樣問題信號(hào)的來源就很快得到定位。Agilent 89601A/B矢量分析軟件為核心的矢量信號(hào)分析系統(tǒng)，可以支持Agilent全系列的邏輯分析儀，示波器和信號(hào)分析儀，典型的測(cè)試分析判斷舉例如表1所示。

圖4 先進(jìn)儀表對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試

表1 典型電子系統(tǒng)誤差來源分析

2.2 先進(jìn)測(cè)試儀表舉例

2.2.1毫米波太赫茲測(cè)試儀表及應(yīng)用

針對(duì)毫米波到太赫茲的應(yīng)用要求，現(xiàn)在矢量網(wǎng)絡(luò)儀，信號(hào)源和頻譜分析儀都可以覆蓋到太赫茲測(cè)試頻段，儀表廠家可以提供系統(tǒng)解決方案，儀表的性能穩(wěn)定，工程應(yīng)用的狀態(tài)已經(jīng)成熟化。圖5為Agilent 毫米波網(wǎng)絡(luò)儀，信號(hào)源和頻譜儀的配置方案，現(xiàn)在單臺(tái)的獨(dú)立測(cè)試儀工作頻率范圍可以達(dá)到70GHz，在更高的測(cè)試頻段，是通過外置的頻率擴(kuò)展裝置來擴(kuò)展工作頻率范圍。最主要的網(wǎng)絡(luò)分析儀能工作到1THz頻段。

圖5 毫米波太赫茲測(cè)試儀表配置

微波頻段網(wǎng)絡(luò)儀的性能是毫米波直到太赫茲網(wǎng)絡(luò)儀性能的基礎(chǔ)，由于現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)儀內(nèi)置激勵(lì)信號(hào)源和接收機(jī)性能的提高，首先在毫米波測(cè)試應(yīng)用中，不再需要外置的獨(dú)立信號(hào)源來提供激勵(lì)信號(hào)和接收機(jī)本振信號(hào)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本價(jià)格，另外儀表的工作性能也得到很大提高，例如太赫茲矢網(wǎng)在750GHz的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍能達(dá)到80dB，測(cè)試的軌跡噪聲性能小于0.1dB。圖6為PNA-X矢網(wǎng)的實(shí)際測(cè)試性能。

圖6 太赫茲網(wǎng)絡(luò)儀測(cè)試性能

2.2.2網(wǎng)絡(luò)儀技術(shù)的革命性突破

網(wǎng)絡(luò)分析儀是測(cè)試射頻微波器件的基礎(chǔ)性常用儀表，測(cè)試應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)儀的基本特點(diǎn)是測(cè)試參數(shù)完整和測(cè)試精度高，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)儀主要測(cè)試器件的傳輸反射S參數(shù)，由于采用閉環(huán)的儀表體系結(jié)構(gòu)和支持校準(zhǔn)技術(shù)消除系統(tǒng)誤差，網(wǎng)絡(luò)儀可以提供其它儀表不能比擬的幅度和相位參數(shù)測(cè)試精度。