利用更先进矢量网络分析仪应对射频测量挑战

 
                   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。