準確地對高頻器件的線(xiàn)性和非線(xiàn)性特征進(jìn)行表征的需求以及目前電子產(chǎn)品設備中子系統集成程度不斷提高的發(fā)展趨勢正在改變著(zhù)對RF和微波器件進(jìn)行的測試方式。
本文將詳細介紹怎樣通過(guò)在矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀內部用兩個(gè)信號源以及增加測試系統的測試端口數量，來(lái)使新一代矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀更加適應現代應用的需求。
**的線(xiàn)性和非線(xiàn)性測量結果是保證系統仿真準確性的關(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果對現代無(wú)線(xiàn)通信和航空/國防系統來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在設計階段，系統仿真要求準確的元器件底層數據，以保證*終系統能工作在所設計的參數范圍內。在生產(chǎn)中，準確測量可以保證每個(gè)元器件能夠滿(mǎn)足所公布的技術(shù)規范。在構成RF系統的基本部件中，濾波器、放大器、混頻器、天線(xiàn)、隔離器和傳輸線(xiàn)等都是需要經(jīng)常進(jìn)行測試的元器件。
對于RF元器件來(lái)說(shuō)，使用*廣泛的測量參數是散射參數，簡(jiǎn)稱(chēng)為S參數。這些參數表征了RF元器件在正向和后向傳輸信號的過(guò)程中所表現的反射和傳輸特性(包含幅度和相位的復數信息)。用S參數**描述RF元器件的線(xiàn)性行為對**的系統仿真來(lái)說(shuō)是必不可少的，但這還是不夠的。因為一旦偏離理想的線(xiàn)性性能，例如幅頻響應特性的不平坦、相頻響應特性的非線(xiàn)性化等，都會(huì )嚴重影響系統性能。
RF元器件的非線(xiàn)性性能也會(huì )影響系統性能。例如，對于一個(gè)放大器而言，如果驅動(dòng)的功率電平超出線(xiàn)性范圍，就會(huì )引起增益壓縮、調幅到調相(AM-PM)的轉換和互調失真(IMD)。測量元器件的這些指標也很重要。
*常用的對RF元器件的特性進(jìn)行測量的儀器是矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)，這里所說(shuō)的“網(wǎng)絡(luò )”指的是電子電路概念上的網(wǎng)絡(luò )，而不是計算機網(wǎng)絡(luò )。傳統上，VNA使用一個(gè)作為激勵的RF信號源，并采用多路測量接收機來(lái)測量正反兩個(gè)方向上的入射、反射和傳輸信號。傳統VNA有兩個(gè)測試端口，因為早期的大多數器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口。為了對多端口器件進(jìn)行測量，就需要在被測器件(DUT)的各個(gè)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(lái)代替這種測量方式。
VNA可以利用固定功率的掃頻方式來(lái)測量S參數；也可以用固定頻率的功率掃描方式來(lái)測量放大器的增益壓縮。通過(guò)這種方式，來(lái)量化元器件的線(xiàn)性性能和一些簡(jiǎn)單的非線(xiàn)性性能?，F在，新型VNA的內部設置有兩個(gè)內置RF信號源，可以對IMD進(jìn)行測量，而以前這主要通過(guò)兩個(gè)外接的信號源和一個(gè)頻譜分析儀來(lái)完成?；赩NA的測試方法使得在測試過(guò)程中對儀表的設置更加簡(jiǎn)單、測量時(shí)間更短、準確性更高。這類(lèi)儀器的一個(gè)典型代表就是安捷倫公司新推出的有兩個(gè)內置信號源的13.5GHzN5230APNA-L網(wǎng)絡(luò )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
現在，RF系統所使用的許多器件都有三、四個(gè)端口，多至七、八個(gè)端口的器件也變得越來(lái)越常見(jiàn)。導致器件端口數量提高的原因有兩個(gè)：一個(gè)是平衡元器件的廣泛使用，另一個(gè)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(gè)RF端口的雙端到單端口器件的形式，也可以采用有4個(gè)RF端口的雙端到雙端的形式。4端口VNA現在十分常見(jiàn)，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(jìn)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換性能。
集成程度不斷提高是器件的端口數量不斷增加的主要因素。在移動(dòng)電話(huà)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(gè)頻段上工作，可能還包括非電話(huà)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(gè)或兩個(gè)天線(xiàn)輸入端口、多路開(kāi)關(guān)、雙工器、濾波器和放大器，所有這些器件都集成到一個(gè)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(gè)RF端口的合路器/分路器中。
在測量此類(lèi)器件時(shí)，由于現在業(yè)內普遍要求對帶外抑制性能也要進(jìn)行測量，導致測試頻率上限通常遠遠高于設計的工作頻段。例如，對于工作頻率低于2GHz的移動(dòng)電話(huà)進(jìn)行測試時(shí)，*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(huì )對其它頻段的設備引起干擾。
為同時(shí)滿(mǎn)足很多的端口數量和很高的測試頻率的要求，可以通過(guò)使用一個(gè)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(kāi)關(guān)(這些開(kāi)關(guān)可以讓外部測試裝置與VNA本身緊密地集成在一起)來(lái)擴展VNA的端口數量。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現端口數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(shí)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誤差。安捷倫N5230APNA-L網(wǎng)絡(luò )分析儀就是這樣一款設備。該設備利用145選件，與Z5623AK44測試端口擴展底座一道，構成一個(gè)8端口的13.5GHz測試系統(圖1)。另外，安捷倫*近還推出了基于N5230APNA-L網(wǎng)絡(luò )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(luò )測試解決方案。
內置兩個(gè)RF信號源來(lái)簡(jiǎn)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、增益壓縮和諧波時(shí)只需一個(gè)RF源就夠了，但**個(gè)內部信號源對比較復雜的非線(xiàn)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(gè)信號(在雙音互調制中通常稱(chēng)為“音調”)接合在一起，然后被送到被測放大器(AUT)的輸入端口上。圖2說(shuō)明了怎樣使用4端口VNA完成這一測試。
由于A(yíng)UT的非線(xiàn)性，在放大器的輸出端口上，除了兩個(gè)放大后的輸入信號之外，還一起出現一個(gè)互調制信號。在通信系統中，這些不需要的信號會(huì )落在所需的工作頻段內，因此無(wú)法通過(guò)濾波來(lái)濾除這些信號。盡管在理論上有無(wú)窮多的一系列互調信號出現，但通常只會(huì )測量三階互調信號，因為它們對系統的影響*大。兩個(gè)輸入信號之間的頻率差決定著(zhù)三階互調信號出現的位置。例如，如果兩個(gè)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3顯示了在VNA上進(jìn)行IMD測量的實(shí)例。
圖3：利用VNA實(shí)現的IMD測量結果
上圖顯示的是一次掃描得到的測試曲線(xiàn)，這條測試曲線(xiàn)就像使用頻譜分析儀進(jìn)行類(lèi)似的測試時(shí)所用方法一樣。
工程師們都比較熟悉這種方法，結果也比較直觀(guān)，但是它會(huì )提取過(guò)多不必要的數據，增加了測試時(shí)間。下圖顯示的則是一種更好的測試方法，所采集數據主要是IMD信號和兩個(gè)測試信號。
使用VNA進(jìn)行這類(lèi)測量較其它方法相比有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢。**，您可以使用一臺測試儀進(jìn)行一次連接即可以完成所有參數的測量，包括S參數、增益壓縮、輸出諧波和IMD。**，通過(guò)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果。
在進(jìn)行像混頻器和變換器這類(lèi)頻率變換器件時(shí)也希望在VNA中提供**個(gè)內部信號源，因為這些器件要求額外的本振(LO)信號。在進(jìn)行LO掃描測試時(shí)尤其如此。在這種測試中，LO信號和RF輸入信號被同時(shí)掃描(以固定的頻率差)。這在寬帶變頻器測試中十分常見(jiàn)，用來(lái)測量變頻器前端元器件的頻響。使用內置信號源作為L(cháng)O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L(cháng)O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4顯示了單級變頻器的測量。
圖4：利用VNA實(shí)現的單級變頻器測量結果
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(zhuān)門(mén)設計的**誤差校準程序。這些程序校準了在DUT輸入匹配和測試系統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的負載匹配之間的輸出頻率上存在的失配誤差，*大限度地降低了變頻損耗和變頻增益測量結果中的不匹配波紋。安捷倫還開(kāi)發(fā)出一種類(lèi)似技術(shù)，利用該技術(shù)可以實(shí)現混頻器和變頻器群時(shí)延的低波紋和**值測量。
多端口測試系統可以同時(shí)實(shí)現高速度和高精度
多端口測試系統的優(yōu)點(diǎn)是與多端口DUT的一次連接就可以進(jìn)行多項測量，與使用傳統的兩端口VNA相比，大大地提高了測試速度。**種基于VNA的多端口測試系統使用的是放在VNA測試端口前面的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)矩陣。雖然這種方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟，但它在高頻上無(wú)法提供現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(gè)測試端口上都有幾個(gè)定向耦合器。在這種方法中，需要用開(kāi)關(guān)把信號送到VNA進(jìn)行測試，而這些開(kāi)關(guān)被置放在耦合器和VNA的接收機之間。這類(lèi)測試端口擴展底座改善了靈敏度和穩定性，而靈敏度和穩定性對微波頻率測量尤為重要。
測試端口擴展底座中的開(kāi)關(guān)既可以是電子開(kāi)關(guān)，也可以是機械開(kāi)關(guān)。電子開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢是開(kāi)關(guān)速度更快、使用壽命沒(méi)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(guò)12個(gè)時(shí)，使用眾多的電子式開(kāi)關(guān)一般會(huì )使測試設備更加昂貴，使用起來(lái)也更加困難。機械開(kāi)關(guān)的射頻特性*好：損耗低，承受功率大。機械開(kāi)關(guān)一般比電子開(kāi)關(guān)便宜。但機械開(kāi)關(guān)的主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的使用壽命有限。盡管可靠性高的開(kāi)關(guān)通常保證開(kāi)關(guān)次數在500萬(wàn)次以上，但大批量生產(chǎn)應用通常會(huì )導致這些開(kāi)關(guān)在不到一年內就會(huì )損壞。安捷倫同時(shí)提供基于電子開(kāi)關(guān)和機械開(kāi)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、所需要的端口數量和具體的應用。許多測試端口擴展底座都有額外的開(kāi)關(guān)，可以把其它測試部件(如信號組合器)或測試設備(如噪聲系數分析儀)切換到測試信號的通道中。這些額外的開(kāi)關(guān)大大提高了整個(gè)測試系統的靈活性。
對多端口測試系統來(lái)說(shuō)，誤差校正是整個(gè)解決方案的關(guān)鍵組成部分?；镜腣NA校準程序可以校準被測路徑中的所有系統誤差。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(huì )導致明顯的測量誤差。測試端口數量越多，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(chēng)為N端口校準，其中N是DUT和測試系統的端口數量。N端口校準提供了*佳的準確性，但代價(jià)是提高了掃描數量，增加了測試時(shí)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(guò)測量進(jìn)行驗證的器件，通常要求N端口校準，如功分器、混合器件、開(kāi)關(guān)和隔離器/多路復用器等。
需要N端口校準的一個(gè)新應用就是測量高速數字網(wǎng)絡(luò )設備背板上的物理層結構或連接器上的串擾，及互連電纜上多連接器間的串擾。例如，兩條差分傳輸線(xiàn)在本質(zhì)上相當于一個(gè)8端口器件，在測量遠端串擾(FEXT)時(shí)，我們會(huì )在一對差分線(xiàn)的一端施加差分激勵信號，在另外一對差分線(xiàn)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(guò)程中沒(méi)有用到的4個(gè)測試端口的負載匹配可能會(huì )導致相當大的誤差。對于位于兩條產(chǎn)生干擾的差分線(xiàn)對之間的受干擾的差分線(xiàn)，也需要進(jìn)行類(lèi)似的串擾測量。這些測量要求12端口測試系統和12端口校準。要求*高的物理層測試通常要求能夠達到50GHz的測試頻率，有時(shí)甚至要求高達67GHz的測試頻率。
為了改善測量時(shí)間，許多多端口器件在測試的時(shí)候通常會(huì )分成數個(gè)M端口的測量和M端口的校準來(lái)進(jìn)行，其中M總結基于先進(jìn)VNA的測試系統為測量當前無(wú)線(xiàn)通信、**系統及網(wǎng)絡(luò )設備物理層中使用的RF和微波元器件提供了核心測量引擎。在VNA內部配置兩個(gè)信號源簡(jiǎn)化并加快了對放大器、混頻器和變頻器的測量速度，同時(shí)還能保證很高的測試精度。在測試放大器的時(shí)候，內置的這兩個(gè)信號源可以用來(lái)測量S參數、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(shí)，其中的一個(gè)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(gè)信號源則可以當作本振信號，這樣對器件進(jìn)行一次連接就能同時(shí)完成固定本振測量和本振掃描測量。
盡管4端口VNA現在十分常見(jiàn)，但更高的集成度正日益要求測試系統有8個(gè)以上的測試端口。通過(guò)把VNA與由開(kāi)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合起來(lái)，可以簡(jiǎn)便地實(shí)現這一目標。通過(guò)采用N端口校準，VNA可以在多端口測試系統中得到其所期望的與使用兩端口VNA進(jìn)行測試時(shí)一樣的高精度，同時(shí)，對于某一特定的器件，還可以選擇不同的誤差校準電平，來(lái)優(yōu)化總的測試精度和測試次數。
