利用更先进矢量网络分析仪应对射频测量挑战

准确地对高频器件的线性和非线性特征进行表征的需求以及目前电子产品设备中子系统集成程度不断提高的发展趋势正在改变着对RF和微波器件进行的测试方式。 本文将详细介绍怎样通过在矢量网络分析仪内部用两个信号源以及增加测试系统的测试端口数量，来使新一代矢量网络分析仪更加适应现代应用的需求。
 
精确的线性和非线性测量结果是保证系统仿真准确性的关键
 
准确地得到射频(RF)元器件的幅度和相位性能的测试结果对现代无线通信和航空/国防系统来说至关重要。在设计阶段，系统仿真要求准确的元器件底层数据，以保证最终系统能工作在所设计的参数范围内。在生产中，准确测量可以保证每个元器件能够满足所公布的技术规范。在构成RF系统的基本部件中，滤波器、放大器、混频器、天线、隔离器和传输线等都是需要经常进行测试的元器件。
 
对于RF元器件来说，使用最广泛的测量参数是散射参数，简称为S参数。这些参数表征了RF元器件在正向和后向传输信号的过程中所表现的反射和传输特性(包含幅度和相位的复数信息)。用S参数全面描述RF元器件的线性行为对全面的系统仿真来说是必不可少的，但这还是不够的。因为一旦偏离理想的线性性能，例如幅频响应特性的不平坦、相频响应特性的非线性化等，都会严重影响系统性能。
 
RF元器件的非线性性能也会影响系统性能。例如，对于一个放大器而言，如果驱动的功率电平超出线性范围，就会引起增益压缩、调幅到调相(AM-PM)的转换和互调失真(IMD)。测量元器件的这些指标也很重要。
 
最常用的对RF元器件的特性进行测量的仪器是矢量网络分析仪(VNA)，这里所说的“网络”指的是电子电路概念上的网络，而不是计算机网络。传统上，VNA使用一个作为激励的RF信号源，并采用多路测量接收机来测量正反两个方向上的入射、反射和传输信号。传统VNA有两个测试端口，因为早期的大多数器件只有一个或两个端口。为了对多端口器件进行测量，就需要在被测器件(DUT)的各个端口之间多次变换测试电缆和端接负载，直到完成对所有端口的测量。本文将介绍一种更好的方案来代替这种测量方式。
 
VNA可以利用固定功率的扫频方式来测量S参数；也可以用固定频率的功率扫描方式来测量放大器的增益压缩。通过这种方式，来量化元器件的线性性能和一些简单的非线性性能。现在，新型VNA的内部设置有两个内置RF信号源，可以对IMD进行测量，而以前这主要通过两个外接的信号源和一个频谱分析仪来完成。基于VNA的测试方法使得在测试过程中对仪表的设置更加简单、测量时间更短、准确性更高。这类仪器的一个典型代表就是安捷伦公司新推出的有两个内置信号源的13.5GHz N5230A PNA-L网络分析仪，该仪器的选件为146。
 
多端口测量日益得到普遍的应用
 
现在，RF系统所使用的许多器件都有三、四个端口，多至七、八个端口的器件也变得越来越常见。导致器件端口数量提高的原因有两个：一个是平衡元器件的广泛使用，另一个是子组件的集成程度不断提高，如当前手机中使用的前端模块。
 
在降低对外部电磁干扰的易受度及减少对其他系统的电磁干扰方面，平衡电路具有相当大的优势。平衡元器件可以采用有3个RF端口的双端到单端口器件的形式，也可以采用有4个RF端口的双端到双端的形式。4端口VNA现在十分常见，对于工作频率在67GHz以下的任何平衡器件，安捷伦的4端口VNA都可以非常方便地进行测量。这些VNA能够测量平衡器件的差模和共模响应及模式转换性能。
 
集成程度不断提高是器件的端口数量不断增加的主要因素。在移动电话行业中，手机和基站中都可以看到这种发展趋势。多频手机可以在多个频段上工作，可能还包括非电话功能，如GPS或Wi-Fi，这些手机通常都使用4端口模块，其中包括一个或两个天线输入端口、多路开关、双工器、滤波器和放大器，所有这些器件都集成到一个基片上。在基站方，双工器和低噪声放大器通常集成到有多个RF端口的合路器/分路器中。
 
在测量此类器件时，由于现在业内普遍要求对带外抑制性能也要进行测量，导致测试频率上限通常远远高于设计的工作频段。例如，对于工作频率低于2GHz的移动电话进行测试时，最高测试频率竟高达12.5GHz，只有这样，才能测得这些元器件是否会对其它频段的设备引起干扰。
 
为同时满足很多的端口数量和很高的测试频率的要求，可以通过使用一个通常放置于VNA底部的外置测试装置(其中包含更多的测试端口连接器和定向耦合器)及必要的开关(这些开关可以让外部测试装置与VNA本身紧密地集成在一起)来扩展VNA的端口数量。通过这种方式，可以实现端口数很多的多端口测试解决方案，并能测量任意端口对组合之间的信号通道，同时还包括必要的误差校准程序，消除所有测试端口和通道的系统误差。安捷伦N5230A PNA-L网络分析仪就是这样一款设备。该设备利用145选件，与Z5623A K44测试端口扩展底座一道，构成一个8端口的13.5GHz测试系统(图1)。另外，安捷伦最近还推出了基于N5230A PNA-L网络分析仪(配置有选项225)和U3022AE10测试端口扩展底座的12端口20GHz矢量网络测试解决方案。
 
           

 
                   图1: 安捷伦公司的8端口、13.5GHz矢量测试系统
 
内置两个RF信号源来简化放大器和混频器的测量
 
尽管使用VNA测量元器件的S参数、增益压缩和谐波时只需一个RF源就够了，但第二个内部信号源对比较复杂的非线性测量(如IMD)及高效地测试混频器和变频器很有裨益。
 
对IMD测量，利用功分器或定向耦合器将这两个信号(在双音互调制中通常称为“音调”)接合在一起，然后被送到被测放大器(AUT)的输入端口上。
 
由于AUT的非线性，在放大器的输出端口上，除了两个放大后的输入信号之外，还一起出现一个互调制信号。在通信系统中，这些不需要的信号会落在所需的工作频段内，因此无法通过滤波来滤除这些信号。尽管在理论上有无穷多的一系列互调信号出现，但通常只会测量三阶互调信号，因为它们对系统的影响最大。两个输入信号之间的频率差决定着三阶互调信号出现的位置。例如，如果两个输入信号分别为1.881GHz和1.882GHz，那么较低的IMD信号将位于1.880GHz处，而较高的IMD信号将位于1.883GHz处。
 
图2显示了在VNA上进行IMD测量的实例。

     图2：利用VNA实现的IMD测量结果
 
上图显示的是一次扫描得到的测试曲线，这条测试曲线就像使用频谱分析仪进行类似的测试时所用方法一样。工程师们都比较熟悉这种方法，结果也比较直观，但是它会提取过多不必要的数据，增加了测试时间。下图显示的则是一种更好的测试方法，所采集数据主要是IMD信号和两个测试信号。
 
使用VNA进行这类测量较其它方法相比有两个明显的优势。第一，您可以使用一台测试仪进行一次连接即可以完成所有参数的测量，包括S参数、增益压缩、输出谐波和IMD。第二，通过利用VNA基于功率计的校准功能，这些测量的准确性要远远高于利用普通频谱分析仪所获得的结果。
 
在进行像混频器和变换器这类频率变换器件时也希望在VNA中提供第二个内部信号源，因为这些器件要求额外的本振(LO)信号。在进行LO扫描测试时尤其如此。在这种测试中，LO信号和RF输入信号被同时扫描(以固定的频率差)。这在宽带变频器测试中十分常见，用来测量变频器前端元器件的频响。使用内置信号源作为LO信号大大改善了速度。例如，与使用外部安捷伦PSG信号源作为LO相比，带有选件246的N5230A可以把扫描式LO测量的扫描速度提高35倍。图3显示了单级变频器的测量。
 

图3：利用VNA实现的单级变频器测量结果

上图是固定的LO测量，显示了变频器的频响。下图是扫描式LO测量，显示了变频器的前端频响平坦度。
 
安捷伦还提供了为混频器和变频器测量专门设计的高级误差校准程序。这些程序校准了在DUT输入匹配和测试系统源匹配之间的输入频率上存在的失配误差，以及在DUT的输出匹配与测试系统的负载匹配之间的输出频率上存在的失配误差，最大限度地降低了变频损耗和变频增益测量结果中的不匹配波纹。安捷伦还开发出一种类似技术，利用该技术可以实现混频器和变频器群时延的低波纹和绝对值测量。
 
多端口测试系统可以同时实现高速度和高精度
 
多端口测试系统的优点是与多端口DUT的一次连接就可以进行多项测量，与使用传统的两端口VNA相比，大大地提高了测试速度。第一种基于VNA的多端口测试系统使用的是放在VNA测试端口前面的简单开关矩阵。虽然这种方法简单经济，但它在高频上无法提供现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测试装置，这种装置在每个测试端口上都有几个定向耦合器。在这种方法中，需要用开关把信号送到VNA进行测试，而这些开关被置放在耦合器和VNA的接收机之间。这类测试端口扩展底座改善了灵敏度和稳定性，而灵敏度和稳定性对微波频率测量尤为重要。
 
测试端口扩展底座中的开关既可以是电子开关，也可以是机械开关。电子开关的优势是开关速度更快、使用寿命没有上限，但它们的插入损耗较高，不能承受大功率。在测试端口超过12个时，使用众多的电子式开关一般会使测试设备更加昂贵，使用起来也更加困难。机械开关的射频特性最好：损耗低，承受功率大。机械开关一般比电子开关便宜。但机械开关的主要缺点是开关触点的使用寿命有限。尽管可靠性高的开关通常保证开关次数在500万次以上，但大批量生产应用通常会导致这些开关在不到一年内就会损坏。安捷伦同时提供基于电子开关和机械开关的测试端口扩展底座。选择哪种端口扩展方式取决于频率范围、所需要的端口数量和具体的应用。许多测试端口扩展底座都有额外的开关，可以把其它测试部件(如信号组合器)或测试设备(如噪声系数分析仪)切换到测试信号的通道中。这些额外的开关大大提高了整个测试系统的灵活性。
 
对多端口测试系统来说，误差校正是整个解决方案的关键组成部分。基本的VNA校准程序可以校准被测路径中的所有系统误差。在多端口环境中，在特定被测信号路径之外的测试端口的负载匹配可能会导致明显的测量误差。测试端口数量越多，潜在的误差可能性越大，产生误差的程度与DUT端口之间的隔离度有关。现代的VNA可以校正所有由于测试端口性能不佳而导致的对整体测试性能的影响，而并不管具体是哪些端口位于测量通道中。这通常称为N端口校准，其中N是DUT和测试系统的端口数量。N端口校准提供了最佳的准确性，但代价是提高了扫描数量，增加了测试时间。端口之间隔离度低的器件或虽然隔离度较高、但必须通过测量进行验证的器件，通常要求N端口校准，如功分器、混合器件、开关和隔离器/多路复用器等。
 
需要N端口校准的一个新应用就是测量高速数字网络设备背板上的物理层结构或连接器上的串扰，及互连电缆上多连接器间的串扰。例如，两条差分传输线在本质上相当于一个8端口器件，在测量远端串扰(FEXT)时，我们会在一对差分线的一端施加差分激励信号，在另外一对差分线的另一端测量差分响应。如果不使用N端口校准，那么在FEXT测量过程中没有用到的4个测试端口的负载匹配可能会导致相当大的误差。对于位于两条产生干扰的差分线对之间的受干扰的差分线，也需要进行类似的串扰测量。这些测量要求12端口测试系统和12端口校准。要求最高的物理层测试通常要求能够达到50GHz的测试频率，有时甚至要求高达67GHz的测试频率。
 
为了改善测量时间，许多多端口器件在测试的时候通常会分成数个M端口的测量和M端口的校准来进行，其中M总结基于先进VNA的测试系统为测量当前无线通信、军用系统及网络设备物理层中使用的RF和微波元器件提供了核心测量引擎。在VNA内部配置两个信号源简化并加快了对放大器、混频器和变频器的测量速度，同时还能保证很高的测试精度。在测试放大器的时候，内置的这两个信号源可以用来测量S参数、增益压缩和谐波以及产生测量IMD所需的信号。在测试混频器和频率变换器件时，其中的一个信号源可以作为混频器或频率变换器件的输入信号，而另外一个信号源则可以当作本振信号，这样对器件进行一次连接就能同时完成固定本振测量和本振扫描测量。
 
尽管4端口VNA现在十分常见，但更高的集成度正日益要求测试系统有8个以上的测试端口。通过把VNA与由开关、耦合器和额外的测试端口组成的外部测试端口扩展底座结合起来，可以简便地实现这一目标。通过采用N端口校准，VNA可以在多端口测试系统中得到其所期望的与使用两端口VNA进行测试时一样的高精度，同时，对于某一特定的器件，还可以选择不同的误差校准电平，来优化总的测试精度和测试次数。