超越S參數(shù)測(cè)試

——安捷倫科技最先進(jìn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X

無(wú)論在研發(fā)還是在生產(chǎn)制造中，工程師們?cè)跍y(cè)試射頻元件時(shí)都面臨許多重大挑戰(zhàn)。在研發(fā)過(guò)程中，更快并以較少的重復(fù)工作來(lái)解決設(shè)計(jì)難題至關(guān)重要。生產(chǎn)制造過(guò)程中，需要在保持精度和最大產(chǎn)出率的同時(shí)，縮短測(cè)試時(shí)間和降低測(cè)試成本。

減緩壓力的方法之一是使用靈活的高度綜合的測(cè)試解決方案--如Agilent N5242A PNA-X微波網(wǎng)絡(luò)分析儀。由于PNA-X的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)，它不僅提供卓越的性能和精度，而且還能針對(duì)超越與網(wǎng)絡(luò)分析儀相關(guān)的傳統(tǒng)散射參數(shù)(S參數(shù))的各種測(cè)量進(jìn)行配置。一些內(nèi)置組件(如第二個(gè)信號(hào)源和寬帶合路器)能對(duì)射頻和微波器件，尤其是放大器、混頻器和變頻器的非線性特性進(jìn)行非常精確的表征，讓您對(duì)這些器件的性能有更加全面的了解。

確保精確的系統(tǒng)模擬

精確的幅度和相位測(cè)量對(duì)應(yīng)用在現(xiàn)代化無(wú)線和航空/國(guó)防系統(tǒng)設(shè)備中的器件至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)模擬需要高度精確的元件表征來(lái)保證系統(tǒng)滿足其性能要求。在生產(chǎn)制造中，精確的測(cè)量驗(yàn)證每一個(gè)元件是否滿足其公布的指標(biāo)。

S參數(shù)在射頻元件(如濾波器、放大器、混頻器、天線、隔離器和傳輸線)測(cè)量中使用最為廣泛。測(cè)量結(jié)果能確定射頻器件在正向和反向傳輸信號(hào)時(shí)其以復(fù)數(shù)值(幅度和相位)表示的反射和傳輸性能。它們?nèi)婷枋隽松漕l元件的線性特性，這對(duì)全系統(tǒng)模擬來(lái)說(shuō)是有很有必要的一部分，但要對(duì)全系統(tǒng)做更加完全的模擬時(shí)，僅僅進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試是不夠的，諸如器件特性隨頻率變化而呈現(xiàn)出的幅度響應(yīng)不平坦性或相位響應(yīng)斜率的不恒定性等這些偏差都會(huì)引起嚴(yán)重系統(tǒng)性能下降。

器件的非線性特性也會(huì)造成系統(tǒng)性能的劣化。例如，如果放大器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)已經(jīng)超過(guò)其線性工作的范圍，則它將會(huì)出現(xiàn)增益壓縮、調(diào)幅到調(diào)相(AM到PM)的轉(zhuǎn)換及互調(diào)失真(IMD)。

核心測(cè)量概述

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)是測(cè)定元件特性最經(jīng)常使用的儀器。傳統(tǒng)VNA包含一個(gè)給被測(cè)器件(DUT)和多測(cè)量接收機(jī)提供激勵(lì)的射頻信號(hào)發(fā)生器，以測(cè)量信號(hào)在正向傳輸和反向傳輸時(shí)入射、反射和傳輸信號(hào)(圖1)。信號(hào)源在固定功率電平進(jìn)行掃頻以測(cè)量S參數(shù)，而在固定頻率上對(duì)其功率掃描，可以測(cè)量放大器的增益壓縮和AM-PM轉(zhuǎn)換。這些測(cè)量能測(cè)定線性和簡(jiǎn)單非線性器件的性能。

對(duì)于基本的S參數(shù)和壓縮測(cè)試，信號(hào)源和接收器調(diào)諧到相同的頻率。不過(guò)，通過(guò)使信號(hào)源和接收機(jī)頻率偏移，將接收機(jī)調(diào)諧至激勵(lì)頻率的整數(shù)倍，也能測(cè)出放大器的諧波性能。使信號(hào)源和接收機(jī)頻率偏移的能力同樣可以測(cè)量頻率轉(zhuǎn)換器件(如混頻器和變頻器)的幅度、相位和群延遲性能。

上述這些測(cè)量通常是使用連續(xù)波進(jìn)行激勵(lì)(CW)的，而許多器件要求使用脈沖射頻測(cè)試，即測(cè)試信號(hào)必須以特定脈沖寬度和重復(fù)頻率進(jìn)行選通。

傳統(tǒng)VNA有兩個(gè)測(cè)試端口，這在大多數(shù)射頻器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口時(shí)可滿足需要。隨著無(wú)線通信領(lǐng)域的快速增長(zhǎng)，三個(gè)或四個(gè)端口的器件已經(jīng)非常普遍，因而四端口網(wǎng)絡(luò)分析儀也和二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀同樣會(huì)被普遍使用。

簡(jiǎn)化放大器和混頻器測(cè)量

利用二端口或四端口時(shí)，PNA-X與傳統(tǒng)VNA結(jié)構(gòu)相比有四大改進(jìn)：

● 兩個(gè)信號(hào)源：第二個(gè)內(nèi)部信號(hào)源與第一個(gè)信號(hào)源的頻率和功率電平設(shè)置是相互獨(dú)立的。第二個(gè)信號(hào)源可用于非線性放大器測(cè)試如互調(diào)失真(IMD)，或用作測(cè)試混頻器和變頻器的快速本地振蕩器(LO)。

● 寬帶信號(hào)合路器：內(nèi)部信號(hào)合路器可以在儀器的相關(guān)測(cè)試端口耦合器之前將兩個(gè)源合并在一起。這便簡(jiǎn)化了需要兩個(gè)信號(hào)源的放大器測(cè)試設(shè)置。

● 信號(hào)切換和接入點(diǎn)：輔助開(kāi)關(guān)和射頻接入點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)靈活的信號(hào)路徑選擇，并增加外部信號(hào)調(diào)理得硬件(如推動(dòng)放大器)或外部測(cè)試設(shè)備(如數(shù)字信號(hào)發(fā)生器或矢量信號(hào)分析儀)。

● 脈沖測(cè)試能力：內(nèi)部脈沖調(diào)制器和脈沖發(fā)生器提供完全一體化的脈沖S參數(shù)解決方案。

這些改進(jìn)簡(jiǎn)化了測(cè)試設(shè)置過(guò)程并在測(cè)量放大器、混頻器和變頻器時(shí)縮短了測(cè)試時(shí)問(wèn)。這些新增加的特性結(jié)合在一起極大地?cái)U(kuò)大了對(duì)被測(cè)器件(DUT)進(jìn)行一次連接可以實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍。圖2示出一個(gè)對(duì)放大器的S參數(shù)、增益壓縮和相位壓縮及固定信號(hào)IMD進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的實(shí)例。

兩個(gè)內(nèi)置信號(hào)源的性能增強(qiáng)也會(huì)簡(jiǎn)化放大器和混頻器測(cè)量。例如，測(cè)試端口可利用的最大信號(hào)功率通常為+13至+20 dBm(取決于型號(hào)和頻率)。這對(duì)將放大器驅(qū)動(dòng)到非線性區(qū)很有幫助，并且在把信號(hào)源用作測(cè)試混頻器的LO信號(hào)時(shí)也經(jīng)常要這樣。這兩個(gè)內(nèi)置信號(hào)源的諧波成分也非常低(通常為-60 dBc或更低)，從而提高諧波和IMD測(cè)量的精度。此外，典型置為40 dB的功率掃描范圍使得在表征放大器的特性時(shí)很容易就可以讓放大器從線性工作范圍轉(zhuǎn)化到非線性工作范圍。

解決各種測(cè)量問(wèn)題

雖然VNA只需一個(gè)射頻源就可以測(cè)量元件的S參數(shù)、壓縮和諧波，但增加第二內(nèi)部信號(hào)源則可以對(duì)更為復(fù)雜的非線性特性，如IMD，進(jìn)行測(cè)量，特別是當(dāng)這兩個(gè)源與網(wǎng)絡(luò)儀內(nèi)部的信號(hào)合路器配合使用時(shí)尤其如此。

對(duì)于IMD測(cè)量，使用信號(hào)合路器將兩個(gè)信號(hào)合并，然后送到被測(cè)放大器(AUT)的輸入端。圖3示出PNA-X如何使用內(nèi)部信號(hào)源和合路器來(lái)完成此過(guò)程。

AUT的非線性會(huì)引起與被放大的輸入信號(hào)一道出現(xiàn)的互調(diào)分量。在通信系統(tǒng)中，這些多余的分量將進(jìn)入工作頻帶且不能通過(guò)濾波去除。實(shí)踐中，只測(cè)三階分量，因?yàn)樗鼈兪窃斐上到y(tǒng)性能下降的最重要因素。

圖4示出一個(gè)用PNA-X完成的掃描IMD測(cè)量實(shí)例。兩條居中跡線顯示激勵(lì)信號(hào)，下方兩條跡線顯示IMD分量。最上方的跡線則是利用了PNA-X特別有優(yōu)勢(shì)的公式編輯特征計(jì)算并顯示的三階截獲點(diǎn)(IP3)。

在掃描狀態(tài)下進(jìn)行IMD測(cè)試的一個(gè)非常有用的改變是對(duì)功率電平而不是對(duì)頻率進(jìn)行掃描，這有助于研發(fā)工程師們建立晶體管和放大器非線性行為模型。在圖5顯示的測(cè)量結(jié)果中，您可以看到基頻信號(hào)以及三階、五階和七階互調(diào)分量的幅度和相位隨輸入功率的變化而變化的情況。

與其它方法相比，使用VNA進(jìn)行以上測(cè)量有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，只用一臺(tái)測(cè)試儀器，只進(jìn)行一次連接便能對(duì)全部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量：S參數(shù)、增益壓縮、輸出諧波、IMD等等。其次，與使用頻譜分析儀相比，用功率計(jì)對(duì)VNA進(jìn)行校準(zhǔn)之后，測(cè)量精度更高。最后，如果使用一臺(tái)頻譜分析儀和兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源進(jìn)行同樣的測(cè)試，完成測(cè)試需要花幾分鐘的時(shí)間，但使用
PNA-X只需0.6秒。

相位與驅(qū)動(dòng)的關(guān)系是用PNA-X很容易完成的另一種常見(jiàn)的雙信號(hào)源測(cè)試。這個(gè)測(cè)試參數(shù)表征的是當(dāng)在相鄰?fù)ǖ阑驇獯嬖诖笮盘?hào)時(shí)，放大器處理小信號(hào)的能力。測(cè)試的方法是把不同頻率的一個(gè)大信號(hào)和一個(gè)小信號(hào)合在一起然后送至被測(cè)放大器(AUT)，然后在改變大信號(hào)的功率時(shí)(使用功率掃描)，測(cè)量小信號(hào)的S21相位。

另一種使用雙信號(hào)源技術(shù)、在建立晶體管和放大器非線性行為模型時(shí)會(huì)用到的參數(shù)是“熱態(tài)S參數(shù)” (準(zhǔn)確地說(shuō)是“放大器工作狀態(tài)下的S參數(shù)-譯者注)”，這種測(cè)試方法用來(lái)表征在某一給定頻率下，當(dāng)存在一個(gè)比較大的偏離于S參數(shù)測(cè)試信號(hào)的另外一個(gè)輸入信號(hào)，并且被測(cè)放大器的輸出因?yàn)檫@個(gè)大信號(hào)的存在而產(chǎn)生壓縮時(shí)，放大器小信號(hào)S參數(shù)的特性。在進(jìn)行熱態(tài)S參數(shù)測(cè)試時(shí)，一定要十分小心，不要讓被測(cè)放大器輸出的“熱信號(hào)”超出了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試接收機(jī)的損壞電平。

測(cè)量平衡元件

平衡電路既能降低對(duì)電磁干擾的敏感度和又能降低電磁干擾的產(chǎn)生。平衡元件可以是在三個(gè)射頻端口的平衡-單端器件或有四個(gè)端口的平衡-平衡器件。用四端口VNA很容易對(duì)這些元件進(jìn)行測(cè)試，可以測(cè)量差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及模式變換項(xiàng)。

這些測(cè)試可以用單端激勵(lì)或真實(shí)模式激勵(lì)來(lái)完成。單端法是每次只測(cè)試一個(gè)DUT端口(只需要一個(gè)射頻源)并對(duì)差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及交叉模式特性進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。這是最快且精確的技術(shù)，條件是外加功率電平應(yīng)使AUT保持在線性或適度壓縮的工作區(qū)。

在高驅(qū)動(dòng)電平條件下測(cè)試放大器的平衡性能時(shí)，如果仍然使用單端測(cè)量的方法，非線性特性會(huì)引測(cè)量結(jié)果的嚴(yán)重誤差，這就需要真實(shí)(差分或平衡)模式激勵(lì)。這種方法將兩個(gè)幅度相同的信號(hào)以180°(差模信號(hào))或0°(共模信號(hào))的相位差加到放大器輸入端對(duì)上。理論上這很容易使用雙源VNA做到，但是精確測(cè)量還需要兩個(gè)條件：對(duì)兩個(gè)信號(hào)源的相位差做高分辨率的調(diào)整；以及能調(diào)整信號(hào)源的相位和幅度，以抵消由源輸出阻抗與AUT輸入阻抗互作用所引起的輸入失配。PNA-X能滿足這兩個(gè)要求。

測(cè)試混頻器和變頻器

第二個(gè)內(nèi)部信號(hào)源也可用于測(cè)試頻率轉(zhuǎn)換器件如混頻器或變頻器，測(cè)試時(shí)除輸入激勵(lì)之外還需要LO信號(hào)。第二個(gè)信號(hào)源對(duì)掃描LO測(cè)試十分有用，在測(cè)試時(shí)LO信號(hào)連同射頻輸入信號(hào)一起被掃描，但保證RF信號(hào)和LO信號(hào)的頻率差是固定的。這個(gè)方法常用于測(cè)量寬帶變頻器的前端元件。與使用外部信號(hào)發(fā)生器相比，使用從VNA內(nèi)部信號(hào)源引出的信號(hào)作為L(zhǎng)O信號(hào)在測(cè)試速度上有幾位明顯的改善(使用PNA-X的測(cè)試速度比傳統(tǒng)方法的測(cè)試速度最高可快35倍)。

使用PNA-X進(jìn)行混頻器和變頻器測(cè)量的設(shè)置非常簡(jiǎn)單。為了測(cè)試端口匹配和變頻損耗或變頻增益，DUT的輸入端、輸出端和LO端口分別與PNA-X的端口1、端口2和端口3相連。增加參考混頻器能對(duì)混頻器或變頻器的相位或群延遲進(jìn)行測(cè)試。第二個(gè)信號(hào)源的兩個(gè)輸出可用于驅(qū)動(dòng)參考混頻器和DUT混頻器(圖6)。

結(jié)論

基于VNA的測(cè)試系統(tǒng)為測(cè)量無(wú)線通信和航空/國(guó)防系統(tǒng)中所使用的射頻和微波元件提供了動(dòng)力。與傳統(tǒng)VNA相比，Agilent PNA-X微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)具有更大的靈活性，使工程師們可以通過(guò)一次連接便能測(cè)量各種各樣的高性能尖端元件。PNA-X內(nèi)最主要的增加項(xiàng)是第二個(gè)信號(hào)源和內(nèi)部寬帶信號(hào)合路器，從而簡(jiǎn)化了放大器、混頻器和變頻器的測(cè)量。除S參數(shù)、壓縮和諧波的傳統(tǒng)單信號(hào)源測(cè)量之外，兩個(gè)信號(hào)源還可用于1MD、相位隨驅(qū)動(dòng)的變化、熱態(tài)s參數(shù)和真實(shí)激勵(lì)模式的測(cè)試。PNA-X端口上信號(hào)源的高功率輸出、低諧波和寬功率掃描范圍的屬性完全適應(yīng)當(dāng)前器件的測(cè)試要求。