利用矢量网络分析仪应对射频测量挑战

2012-11-01 11:07:46来源: 21ic
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13.5GHzN5230APNA-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N5230APNA-L网络分析仪就是这样一款设备。该设备利用145选件,与Z5623AK44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N5230APNA-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。
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关键字:矢量网络分析仪  射频测量  测试端口

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1101/article_6224.html
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