利用矢量網絡分析儀的測試系統完成設計與實現

無論在研發還是在生產制造中，工程師們在測試射頻元件時都面臨許多重大挑戰。在研發過程中，更快并以較少的重復工作來解決設計難題至關重要。生產制造過程中，需要在保持精度和最大產出率的同時，縮短測試時間和降低測試成本。

減緩壓力的方法之一是使用靈活的高度綜合的測試解決方案――如Agilent N5242A PNA-X微波網絡分析儀。由于PNA-X的先進體系結構，它不僅提供卓越的性能和精度，而且還能針對超越與網絡分析儀相關的傳統散射參數（S參數）的各種測量進行配置。一些內置組件（如第二個信號源和寬帶合路器）能對射頻和微波器件，尤其是放大器、混頻器和變頻器的非線性特性進行非常精確的表征，讓您對這些器件的性能有更加全面的了解。

一、確保精確的系統模擬

精確的幅度和相位測量對應用在現代化無線和航空/國防系統設備中的器件至關重要。在設計階段，系統模擬需要高度精確的元件表征來保證系統滿足其性能要求。在生產制造中，精確的測量驗證每一個元件是否滿足其公布的指標。

S參數在射頻元件（如濾波器、放大器、混頻器、天線、隔離器和傳輸線）測量中使用最為廣泛。測量結果能確定射頻器件在正向和反向傳輸信號時其以復數值（幅度和相位）表示的反射和傳輸性能。它們全面描述了射頻元件的線性特性，這對全系統模擬來說是有很有必要的一部分，但要對全系統做更加完全的模擬時，僅僅進行S參數測試是不夠的，諸如器件特性隨頻率變化而呈現出的幅度響應不平坦性或相位響應斜率的不恒定性等這些偏差都會引起嚴重系統性能下降。

器件的非線性特性也會造成系統性能的劣化。例如，如果放大器的驅動信號已經超過其線性工作的范圍，則它將會出現增益壓縮、調幅到調相（AM到PM）的轉換及互調失真（IMD）。

二、核心測量概述

矢量網絡分析儀（VNA）是測定元件特性最經常使用的儀器。傳統VNA包含一個給被測器件（DUT）和多測量接收機提供激勵的射頻信號發生器，以測量信號在正向傳輸和反向傳輸時入射、反射和傳輸信號（圖1）。信號源在固定功率電平進行掃頻以測量S參數，而在固定頻率上對其功率掃描，可以測量放大器的增益壓縮和AM-PM轉換。這些測量能測定線性和簡單非線性器件的性能。

圖1.傳統二端口VNA框圖。

對于基本的S參數和壓縮測試，信號源和接收器調諧到相同的頻率。不過，通過使信號源和接收機頻率偏移，將接收機調諧至激勵頻率的整數倍，也能測出放大器的諧波性能。使信號源和接收機頻率偏移的能力同樣可以測量頻率轉換器件（如混頻器和變頻器）的幅度、相位和群延遲性能。

上述這些測量通常是使用連續波進行激勵（CW）的，而許多器件要求使用脈沖射頻測試，即測試信號必須以特定脈沖寬度和重復頻率進行選通。

傳統VNA有兩個測試端口，這在大多數射頻器件只有一個或兩個端口時可滿足需要。隨著無線通信領域的快速增長，三個或四個端口的器件已經非常普遍，因而四端口網絡分析儀也和二端口網絡分析儀同樣會被普遍使用。

三、簡化放大器和混頻器測量

利用二端口或四端口時，PNA-X與傳統VNA結構相比有四大改進：

* 兩個信號源：第二個內部信號源與第一個信號源的頻率和功率電平設置是相互獨立的。第二個信號源可用于非線性放大器測試如互調失真（IMD），或用作測試混頻器和變頻器的快速本地振蕩器（LO）。

* 寬帶信號合路器：內部信號合路器可以在儀器的相關測試端口耦合器之前將兩個源合并在一起。這便簡化了需要兩個信號源的放大器測試設置。

* 信號切換和接入點：輔助開關和射頻接入點能實現靈活的信號路徑選擇，并增加外部信號調理得硬件（如推動放大器）或外部測試設備（如數字信號發生器或矢量信號分析儀）。

* 脈沖測試能力：內部脈沖調制器和脈沖發生器提供完全一體化的脈沖S參數解決方案。

這些改進簡化了測試設置過程并在測量放大器、混頻器和變頻器時縮短了測試時間。 這些新增加的特性結合在一起極大地擴大了對被測器件（DUT）進行一次連接可以實現的測量范圍。 圖2示出一個對放大器的S參數、增益壓縮和相位壓縮及固定信號IMD進行同時測量的實例。

圖2.顯示表對放大器的S參數、壓縮和IMD進行同時測量的PNA-X實例。

兩個內置信號源的性能增強也會簡化放大器和混頻器測量。例如，測試端口可利用的最大信號功率通常為+13至+20 dBm（取決于型號和頻率）。這對將放大器驅動到非線性區很有幫助，并且在把信號源用作測試混頻器的LO信號時也經常要這樣。這兩個內置信號源的諧波成分也非常低（通常為–60 dBc 或更低），從而提高諧波和IMD測量的精度。此外，典型置為40 dB的功率掃描范圍使得在表征放大器的特性時很容易就可以讓放大器從線性工作范圍轉化到非線性工作范圍。

四、解決各種測量問題

雖然VNA只需一個射頻源就可以測量元件的S參數、壓縮和諧波，但增加第二內部信號源則可以對更為復雜的非線性特性，如IMD，進行測量，特別是當這兩個源與網絡儀內部的信號合路器配合使用時尤其如此。

圖3.針對IMD測量配置的二端口PNA-X框圖。

對于IMD測量，使用信號合路器將兩個信號合并，然后送到被測放大器（AUT）的輸入端。圖3示出PNA-X如何使用內部信號源和合路器來完成此過程。

AUT的非線性會引起與被放大的輸入信號一道出現的互調分量。在通信系統中，這些多余的分量將進入工作頻帶且不能通過濾波去除。實踐中，只測三階分量，因為它們是造成系統性能下降的最重要因素。

圖4示出一個用PNA-X完成的掃描IMD測量實例。兩條居中跡線顯示激勵信號，下方兩條跡線顯示IMD分量。最上方的跡線則是利用了PNA-X特別有優勢的公式編輯特征計算并顯示的三階截獲點（IP3）。

圖4.掃頻IMD測量的PNA-X實例。

在掃描狀態下進行IMD測試的一個非常有用的改變是對功率電平而不是對頻率進行掃描，這有助于研發工程師們建立晶體管和放大器非線性行為模型。在圖5顯示的測量結果中，您可以看到基頻信號以及三階、五階和七階互調分量的幅度和相位隨輸入功率的變化而變化的情況。

圖5.PNA-X進行功率掃描IMD測試的實例。

與其它方法相比，使用VNA進行以上測量有三個優點。首先，只用一臺測試儀器，只進行一次連接便能對全部參數進行測量：S參數、增益壓縮、輸出諧波、IMD等等。其次，與使用頻譜分析儀相比，用功率計對VNA進行校準之后，測量精度更高。最后，如果使用一臺頻譜分析儀和兩個獨立的信號源進行同樣的測試，完成測試需要花幾分鐘的時間，但使用PNA-X只需0.6秒。

相位與驅動的關系是用PNA-X很容易完成的另一種常見的雙信號源測試。這個測試參數表征的是當在相鄰通道或帶外存在大信號時，放大器處理小信號的能力。測試的方法是把不同頻率的一個大信號和一個小信號合在一起然后送至被測放大器（AUT），然后在改變大信號的功率時（使用功率掃描），測量小信號的S21相位。

另一種使用雙信號源技術、在建立晶體管和放大器非線性行為模型時會用到的參數是“熱態S參數”，這種測試方法用來表征在某一給定頻率下，當存在一個比較大的偏離于S參數測試信號的另外一個輸入信號，并且被測放大器的輸出因為這個大信號的存在而產生壓縮時，放大器小信號S參數的特性。在進行熱態S參數測試時，一定要十分小心，不要讓被測放大器輸出的“熱信號”超出了矢量網絡分析儀測試接收機的損壞電平。

五、測量平衡元件

平衡電路既能降低對電磁干擾的敏感度和又能降低電磁干擾的產生。平衡元件可以是在三個射頻端口的平衡-單端器件或有四個端口的平衡-平衡器件。用四端口VNA很容易對這些元件進行測試，可以測量差模響應和共模響應以及模式變換項。

這些測試可以用單端激勵或真實模式激勵來完成。單端法是每次只測試一個DUT端口（只需要一個射頻源）并對差模響應和共模響應以及交叉模式特性進行數學計算。這是最快且精確的技術，條件是外加功率電平應使AUT保持在線性或適度壓縮的工作區。

在高驅動電平條件下測試放大器的平衡性能時，如果仍然使用單端測量的方法，非線性特性會引測量結果的嚴重誤差，這就需要真實（差分或平衡）模式激勵。這種方法將兩個幅度相同的信號以180°（差模信號）或0°（共模信號）的相位差加到放大器輸入端對上。理論上這很容易使用雙源VNA做到，但是精確測量還需要兩個條件：對兩個信號源的相位差做高分辨率的調整；以及能調整信號源的相位和幅度，以抵消由源輸出阻抗與AUT輸入阻抗互作用所引起的輸入失配。

六、測試混頻器和變頻器

第二個內部信號源也可用于測試頻率轉換器件如混頻器或變頻器，測試時除輸入激勵之外還需要LO信號。第二個信號源對掃描LO測試十分有用，在測試時LO信號連同射頻輸入信號一起被掃描，但保證RF信號和LO信號的頻率差是固定的。這個方法常用于測量寬帶變頻器的前端元件。與使用外部信號發生器相比，使用從VNA內部信號源引出的信號作為LO信號在測試速度上有幾位明顯的改善（使用PNA-X的測試速度比傳統方法的測試速度最高可快35倍）。

使用PNA-X進行混頻器和變頻器測量的設置非常簡單。為了測試端口匹配和變頻損耗或變頻增益，DUT的輸入端、輸出端和LO端口分別與PNA-X的端口1、端口2和端口3相連。增加參考混頻器能對混頻器或變頻器的相位或群延遲進行測試。第二個信號源的兩個輸出可用于驅動參考混頻器和DUT混頻器（圖6）。

圖6.針對矢量混頻器測量配置的四端口PNA-X框圖。

基于VNA的測試系統為測量無線通信和航空/國防系統中所使用的射頻和微波元件提供了動力。與傳統VNA相比，Agilent PNA-X微波網絡分析儀的先進體系結構具有更大的靈活性，使工程師們可以通過一次連接便能測量各種各樣的高性能尖端元件。PNA-X內最主要的增加項是第二個信號源和內部寬帶信號合路器，從而簡化了放大器、混頻器和變頻器的測量。除S參數、壓縮和諧波的傳統單信號源測量之外，兩個信號源還可用于IMD、相位隨驅動的變化、熱態S參數和真實激勵模式的測試。PNA-X端口上信號源的高功率輸出、低諧波和寬功率掃描范圍的屬性完全適應當前器件的測試要求。

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