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(luò)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(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

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

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。因為一旦偏離理想的線性性能，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(AMPM)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

4、特性進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)，而不是計算機網(wǎng)絡(luò)。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

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

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、四個端口，多至七、八個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：一個是平衡元器件的廣泛使用，另一圖2：利用4端口VNA實現(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

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3顯示了在VNA上進行IMD測量的實例。圖3：利用VNA實現(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，

9、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

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