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。
　　
　　**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*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*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)的反射和傳輸特性(包含幅度和相位的復(fù)數(shù)信息)。用S參數(shù)**描述RF元器件的線性行為對**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，都會嚴(yán)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(gè)放大器而言，如果驅(qū)動(dòng)的功率電平超出線性范圍，就會引起增益壓縮、調(diào)幅到調(diào)相(AM-PM)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。
　　
　　*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(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，另一個(gè)是子組件的集成程度不斷提高，如當(dāng)前手機(jī)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(tǒng)的電磁干擾方面，平衡電路具有相當(dāng)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(xiàn)在十分常見，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(yīng)及模式轉(zhuǎn)換性能。
　　
　　集成程度不斷提高是器件的端口數(shù)量不斷增加的主要因素。在移動(dòng)電話行業(yè)中，手機(jī)和基站中都可以看到這種發(fā)展趨勢。多頻手機(jī)可以在多個(gè)頻段上工作，可能還包括非電話功能，如GPS或Wi-Fi，這些手機(jī)通常都使用4端口模塊，其中包括一個(gè)或兩個(gè)天線輸入端口、多路開關(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。
　　
　　在測量此類器件時(shí)，由于現(xiàn)在業(yè)內(nèi)普遍要求對帶外抑制性能也要進(jìn)行測量，導(dǎo)致測試頻率上限通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)的工作頻段。例如，對于工作頻率低于2GHz的移動(dòng)電話進(jìn)行測試時(shí)，*高測試頻率竟高達(dá)12.5GHz，只有這樣，才能測得這些元器件是否會對其它頻段的設(shè)備引起干擾。
　　
　　為同時(shí)滿足很多的端口數(shù)量和很高的測試頻率的要求，可以通過使用一個(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)及必要的開關(guān)(這些開關(guān)可以讓外部測試裝置與VNA本身緊密地集成在一起)來擴(kuò)展VNA的端口數(shù)量。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)端口數(shù)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(zhǔn)程序，消除所有測試端口和通道的系統(tǒng)誤差。安捷倫N5230APNA-L網(wǎng)絡(luò)分析儀就是這樣一款設(shè)備。該設(shè)備利用145選件，與Z5623AK44測試端口擴(kuò)展底座一道，構(gòu)成一個(gè)8端口的13.5GHz測試系統(tǒng)(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(xiàng)225)和U3022AE10測試端口擴(kuò)展底座的12端口20GHz矢量網(wǎng)絡(luò)測試解決方案。

　　
　　　　
　　內(nèi)置兩個(gè)RF信號源來簡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(shù)、增益壓縮和諧波時(shí)只需一個(gè)RF源就夠了，但**個(gè)內(nèi)部信號源對比較復(fù)雜的非線性測量(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(diào)制中通常稱為“音調(diào)”)接合在一起，然后被送到被測放大器(AUT)的輸入端口上。圖2說明了怎樣使用4端口VNA完成這一測試。

　　
　　　
　　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落在所需的工作頻段內(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?yàn)樗鼈儗ο到y(tǒng)的影響*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。**，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(shù)的測量，包括S參數(shù)、增益壓縮、輸出諧波和IMD。**，通過利用VNA基于功率計(jì)的校準(zhǔn)功能，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**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**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，*大限度地降低了變頻損耗和變頻增益測量結(jié)果中的不匹配波紋。安捷倫還開發(fā)出一種類似技術(shù)，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度和高精度
　　
　　多端口測試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是與多端口DUT的一次連接就可以進(jìn)行多項(xiàng)測量，與使用傳統(tǒng)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(tǒng)使用的是放在VNA測試端口前面的簡單開關(guān)矩陣。雖然這種方法簡單經(jīng)濟(jì)，但它在高頻上無法提供現(xiàn)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，需要用開關(guān)把信號送到VNA進(jìn)行測試，而這些開關(guān)被置放在耦合器和VNA的接收機(jī)之間。這類測試端口擴(kuò)展底座改善了靈敏度和穩(wěn)定性，而靈敏度和穩(wěn)定性對微波頻率測量尤為重要。
　　
　　測試端口擴(kuò)展底座中的開關(guān)既可以是電子開關(guān)，也可以是機(jī)械開關(guān)。電子開關(guān)的優(yōu)勢是開關(guān)速度更快、使用壽命沒有上限，但它們的插入損耗較高，不能承受大功率。在測試端口超過12個(gè)時(shí)，使用眾多的電子式開關(guān)一般會使測試設(shè)備更加昂貴，使用起來也更加困難。機(jī)械開關(guān)的射頻特性*好：損耗低，承受功率大。機(jī)械開關(guān)一般比電子開關(guān)便宜。但機(jī)械開關(guān)的主要缺點(diǎn)是開關(guān)觸點(diǎn)的使用壽命有限。盡管可靠性高的開關(guān)通常保證開關(guān)次數(shù)在500萬次以上，但大批量生產(chǎn)應(yīng)用通常會導(dǎo)致這些開關(guān)在不到一年內(nèi)就會損壞。安捷倫同時(shí)提供基于電子開關(guān)和機(jī)械開關(guān)的測試端口擴(kuò)展底座。選擇哪種端口擴(kuò)展方式取決于頻率范圍、所需要的端口數(shù)量和具體的應(yīng)用。許多測試端口擴(kuò)展底座都有額外的開關(guān)，可以把其它測試部件(如信號組合器)或測試設(shè)備(如噪聲系數(shù)分析儀)切換到測試信號的通道中。這些額外的開關(guān)大大提高了整個(gè)測試系統(tǒng)的靈活性。
　　
　　對多端口測試系統(tǒng)來說，誤差校正是整個(gè)解決方案的關(guān)鍵組成部分。基本的VNA校準(zhǔn)程序可以校準(zhǔn)被測路徑中的所有系統(tǒng)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(fù)載匹配可能會導(dǎo)致明顯的測量誤差。測試端口數(shù)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)。現(xiàn)代的VNA可以校正所有由于測試端口性能不佳而導(dǎo)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。這通常稱為N端口校準(zhǔn)，其中N是DUT和測試系統(tǒng)的端口數(shù)量。N端口校準(zhǔn)提供了*佳的準(zhǔn)確性，但代價(jià)是提高了掃描數(shù)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、但必須通過測量進(jìn)行驗(yàn)證的器件，通常要求N端口校準(zhǔn)，如功分器、混合器件、開關(guān)和隔離器/多路復(fù)用器等。
　　
　　需要N端口校準(zhǔn)的一個(gè)新應(yīng)用就是測量高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)設(shè)備背板上的物理層結(jié)構(gòu)或連接器上的串?dāng)_，及互連電纜上多連接器間的串?dāng)_。例如，兩條差分傳輸線在本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)8端口器件，在測量遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)時(shí)，我們會在一對差分線的一端施加差分激勵(lì)信號，在另外一對差分線的另一端測量差分響應(yīng)。如果不使用N端口校準(zhǔn)，那么在FEXT測量過程中沒有用到的4個(gè)測試端口的負(fù)載匹配可能會導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。對于位于兩條產(chǎn)生干擾的差分線對之間的受干擾的差分線，也需要進(jìn)行類似的串?dāng)_測量。這些測量要求12端口測試系統(tǒng)和12端口校準(zhǔn)。要求*高的物理層測試通常要求能夠達(dá)到50GHz的測試頻率，有時(shí)甚至要求高達(dá)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)候通常會分成數(shù)個(gè)M端口的測量和M端口的校準(zhǔn)來進(jìn)行，其中M總結(jié)基于先進(jìn)VNA的測試系統(tǒng)為測量當(dāng)前無線通信、**系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(nèi)部配置兩個(gè)信號源簡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(nèi)置的這兩個(gè)信號源可以用來測量S參數(shù)、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(dāng)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(xiàn)在十分常見，但更高的集成度正日益要求測試系統(tǒng)有8個(gè)以上的測試端口。通過把VNA與由開關(guān)、耦合器和額外的測試端口組成的外部測試端口擴(kuò)展底座結(jié)合起來，可以簡便地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過采用N端口校準(zhǔn)，VNA可以在多端口測試系統(tǒng)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(zhǔn)電平，來優(yōu)化總的測試精度和測試次數(shù)。