矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

1、利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)對射頻測量挑戰(zhàn)20121101來源：21ic準(zhǔn)確地對高頻器件的線性和非線性特征進(jìn)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(jìn)行的測試方式。本文將詳細(xì)介紹怎樣通過在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部用兩個(gè)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(luò)分析儀更加適應(yīng)現(xiàn)代應(yīng)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(zhǔn)確性的關(guān)鍵準(zhǔn)確地得到射頻(RF)元器件的幅度和相位性能的

2、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(jì)階段，系統(tǒng)仿真要求準(zhǔn)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(jì)的參數(shù)范圍內(nèi)。在生產(chǎn)中，準(zhǔn)確測量可以保證每個(gè)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(jìn)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

3、特性(包含幅度和相位的復(fù)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?yàn)橐坏┢x理想的線性性能，例如幅頻響應(yīng)特性的不平坦、相頻響應(yīng)特性的非線性化等，都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。RF元器件的非線性性能也會(huì)影響系統(tǒng)性能。例如，對于一個(gè)放大器而言，如果驅(qū)動(dòng)的功率電平超出線性范圍，就會(huì)引起增益壓縮、調(diào)幅到調(diào)相(AMPM)的轉(zhuǎn)換和互調(diào)失真(IMD)。測量元器件的這些指標(biāo)也很重要。最常用的對RF元器件的

4、特性進(jìn)行測量的儀器是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)，這里所說的“網(wǎng)絡(luò)”指的是電子電路概念上的網(wǎng)絡(luò)，而不是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)上，VNA使用一個(gè)作為激勵(lì)的RF信號源，并采用多路測量接收機(jī)來測量正反兩個(gè)方向上的入射、反射和傳輸信號。傳統(tǒng)VNA有兩個(gè)測試端口，因?yàn)樵缙诘拇蠖鄶?shù)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(fù)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

5、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?，F(xiàn)在，新型VNA的內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)內(nèi)置RF信號源，可以對IMD進(jìn)行測量，而以前這主要通過兩個(gè)外接的信號源和一個(gè)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(shí)間更短、準(zhǔn)確性更高。這類儀器的一個(gè)典型代表就是安捷倫公司新推出的有兩個(gè)內(nèi)置信號源的

6、13.5GHzN5230APNAL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(yīng)用現(xiàn)在，RF系統(tǒng)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越常見。導(dǎo)致器件端口數(shù)量提高的原因有兩個(gè)：一個(gè)是平衡元器件的廣泛使用，另一圖2：利用4端口VNA實(shí)現(xiàn)IMD測試連接圖由于AUT的非線性，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(xiàn)一個(gè)互調(diào)制信號。在通信系統(tǒng)中，這些不需要的信號會(huì)落在所需的工作頻段

7、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(huì)測量三階互調(diào)信號，因?yàn)樗鼈儗ο到y(tǒng)的影響最大。兩個(gè)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(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(xiàn)的IMD測量結(jié)果上圖顯示的是一次掃描得

8、到的測試曲線，這條測試曲線就像使用頻譜分析儀進(jìn)行類似的測試時(shí)所用方法一樣。工程師們都比較熟悉這種方法，結(jié)果也比較直觀，但是它會(huì)提取過多不必要的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)主要是IMD信號和兩個(gè)測試信號。使用VNA進(jìn)行這類測量較其它方法相比有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢。第一，您可以使用一臺(tái)測試儀進(jìn)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(jì)的校準(zhǔn)功能，

9、這些測量的準(zhǔn)確性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于利用普通頻譜分析儀所獲得的結(jié)果。在進(jìn)行像混頻器和變換器這類頻率變換器件時(shí)也希望在VNA中提供第二個(gè)內(nèi)部信號源，因?yàn)檫@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，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

10、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(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(jì)的高級誤差校準(zhǔn)程序。這些程序校準(zhǔn)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(fù)載匹配之間的輸出頻率上存在的失配誤差，最大限度地