利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試大動(dòng)態(tài)范圍微波器件的幾種方法

引言

隨著射頻微波通信技術(shù)中射頻微波器件的測(cè)量精度要求越來越高，對(duì)測(cè)量?jī)x器性能指標(biāo)的要求也越來越精確，對(duì)測(cè)試工程師的能力技巧也提出了相應(yīng)較高的要求。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是開展微波器件傳輸/反射特性最典型最具有代表性的儀器，在微波S參數(shù)測(cè)試方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍將影響被測(cè)微波器件（DUT）的測(cè)量范圍、測(cè)量精度和測(cè)量速度。只有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍大于被測(cè)微波器件的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，才能獲得準(zhǔn)確測(cè)試結(jié)果，進(jìn)而在測(cè)試精度不受影響的前提下通過設(shè)置較寬的中頻帶寬從而提高測(cè)試速度。

1. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理

了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理和動(dòng)態(tài)范圍的定義，對(duì)開展大動(dòng)態(tài)范圍器件的測(cè)試很有必要。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，是同時(shí)具備信號(hào)源和接收機(jī)（包括參考接收機(jī)和測(cè)量接收機(jī)）功能的高精度測(cè)量?jī)x器，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理框圖，如圖1所示。

圖1  矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理框圖

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，是指矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)能測(cè)量到輸入的最大功率和最小可測(cè)功率（本底噪聲）之間的差值。要使測(cè)量正確有效，輸入信號(hào)必須在這個(gè)范圍內(nèi)。圖2為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍示意圖。

圖2  測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍示意圖

由此可知，影響矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的因素主要有接收機(jī)最大輸入功率P最大和接收機(jī)的本底噪聲P最小，由此可以通過增大接收機(jī)輸入功率和減小接收機(jī)本底噪聲來增加矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍由以下參量決定。   

1）測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的上限在系統(tǒng)工作電平較大時(shí)會(huì)受到系統(tǒng)非線性壓縮的影響。

2）動(dòng)態(tài)范圍的下限在小信號(hào)狀態(tài)下會(huì)受到系統(tǒng)噪聲門限的影響。

為了減小測(cè)量的不確定度，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍要比被測(cè)微波器件的動(dòng)態(tài)范圍大，例如，當(dāng)被測(cè)信號(hào)至少比本底噪聲高10dB時(shí)，才能有效提高精度。

2. 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試大動(dòng)態(tài)范圍器件的幾種方法

2.1 提高被測(cè)微波器件的輸入功率

提高被測(cè)微波器件的輸入功率能使矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀更精確地檢測(cè)被測(cè)微波器件的輸出功率，但要注意如果矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)輸入功率過高，可能引起壓縮失真，高到一定程度甚至?xí)p壞接收機(jī)，有些矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的0.1dB壓縮點(diǎn)只有+5dBm甚至更低，輸入電平在+15dBm時(shí)就可能損毀接收機(jī)，在采用設(shè)置增大矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出功率時(shí)要特別注意。

測(cè)試時(shí)還需要注意，如果被測(cè)微波器件增益很高，如測(cè)試放大器，則不能使用最大的源輸出功率，因?yàn)?，此時(shí)接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)端口的功率非常大，可能會(huì)燒毀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)。

在測(cè)試大動(dòng)態(tài)范圍器件時(shí)，建議采用功率計(jì)對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵(lì)信號(hào)源輸出電平值進(jìn)行測(cè)試，以減小激勵(lì)信號(hào)源電平不準(zhǔn)確引入的測(cè)量不確定度。因?yàn)槭噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀在進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試時(shí)，是根據(jù)激勵(lì)信號(hào)源和接收機(jī)相對(duì)功率電平得出測(cè)量結(jié)果，通常情況下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵(lì)信號(hào)源輸出電平不準(zhǔn)確，依然可以準(zhǔn)確測(cè)量S參數(shù)，但在測(cè)試大動(dòng)態(tài)范圍器件時(shí)，尤其是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵(lì)信號(hào)源輸出電平比標(biāo)稱值偏低超差時(shí)，測(cè)試將受到很大影響。  

KEYSIGHT矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試功率通常在【Stimulus】/(激勵(lì))菜單中【Power】/(功率)菜單下進(jìn)行設(shè)置。

2.2 減小中頻帶寬

降低矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)的本底噪聲可以增大測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，而降低本底噪聲與中頻帶通濾波器的帶寬【IF Bandwidth】/(中頻帶寬)的設(shè)置有關(guān)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量時(shí)，將接收到的響應(yīng)信號(hào)變頻到頻率較低的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，減小中頻帶寬可以降低隨機(jī)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，中頻帶寬每減小10倍就可以使矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀本底噪聲降低10dB，從而使測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍提高10dB，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在不同中頻帶寬設(shè)置時(shí)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍如圖3，通道1中頻帶寬為100Hz，通道2中頻帶寬為300kHz。

圖3  不同中頻帶寬下測(cè)試的器件動(dòng)態(tài)范圍

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的中頻帶寬設(shè)置一般可以從1Hz到3MHz，根據(jù)機(jī)型不同有的甚至更大，但設(shè)置較小的中頻帶寬會(huì)使掃描時(shí)間變長，測(cè)試速度也比較慢。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀支持對(duì)每一個(gè)通道或段掃描設(shè)置中頻帶寬，中頻帶寬通常在【Response】/(響應(yīng))菜單下【Avg】/(平均)子菜單中【IF Bandwidth】/(中頻帶寬)進(jìn)行設(shè)置。

在測(cè)試濾波器類微波器件時(shí)，建議采用分段掃描工作方式，將濾波器通帶和阻帶分為不同的分段，可設(shè)置不同的中頻帶寬：在通帶內(nèi)，較大的中頻帶寬就能得到準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，同時(shí)，獲得較快的測(cè)試速度；在阻帶內(nèi)，測(cè)量結(jié)果受矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀本底噪聲的影響較大，需要設(shè)置較小的中頻帶寬，以提高測(cè)試精度，如圖4所示。

圖4  采用分段掃描測(cè)試濾波器

2.3 設(shè)置掃描平均

增加矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描平均，可降低隨機(jī)噪聲對(duì)測(cè)量的影響，從而增大測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過幾次連續(xù)掃描，對(duì)同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)取平均來計(jì)算每一個(gè)測(cè)量值，平均次數(shù)越多，越能夠有效降低噪聲對(duì)測(cè)量的影響。

設(shè)置掃描平均通常在【Response】/(響應(yīng))菜單下【Avg】/(平均)子菜單中進(jìn)行設(shè)置，需要同時(shí)設(shè)置【Average ON/Off】/(平均打開/關(guān)閉)和【Average Factor】/(平均因子)參數(shù)。開啟平均掃描功能后，降低了隨機(jī)噪聲對(duì)測(cè)量的影響，擴(kuò)大了測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。如圖5所示。

圖5 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀啟用平均后的隨機(jī)噪聲

增加掃描平均次數(shù)，會(huì)使掃描時(shí)間變長，通常情況下采用增加掃描平均降低噪聲提高動(dòng)態(tài)范圍，要比減小中頻帶寬所需時(shí)間要長，尤其是平均次數(shù)較多時(shí)。

2.4 減少矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)串?dāng)_

當(dāng)測(cè)量接近于本底噪聲的信號(hào)時(shí)，通過減少矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)的串?dāng)_，可以增大動(dòng)態(tài)范圍。串?dāng)_是指矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號(hào)路徑之間的能量泄漏，理想情況下，只有通過被測(cè)件的傳輸信號(hào)到達(dá)接收機(jī)，實(shí)際中會(huì)有少量的信號(hào)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中其它路徑到達(dá)接收機(jī)，形成串?dāng)_信號(hào)?？梢酝ㄟ^選擇交替掃描方式和進(jìn)行隔離校準(zhǔn)減小串?dāng)_的影響。

1）設(shè)置交替掃描

在交替掃描方式中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀每次掃描時(shí)，只對(duì)一個(gè)接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量，斷開其它接收機(jī)，降低接收機(jī)的串?dāng)_。

設(shè)置交替掃描方式通常在【Sweep】/(掃描)菜單下【Sweep Setup】/(掃描設(shè)置)子菜單中，對(duì)【Alternate Sweeps】/(交替掃描)進(jìn)行設(shè)置?？梢元?dú)立對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀每個(gè)測(cè)量通道設(shè)定交替掃描工作方式。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同時(shí)開展反射測(cè)量和傳輸測(cè)量，采用交替掃描方式時(shí)，掃描時(shí)間變長。只開展傳輸測(cè)量或反射測(cè)量，采用交替掃描方式時(shí)，掃描時(shí)間影響不大。

2）進(jìn)行隔離校準(zhǔn)

測(cè)試工程師在測(cè)試常規(guī)微波器件時(shí)，通常會(huì)省略隔離校準(zhǔn)，這對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不太明顯，在測(cè)量大動(dòng)態(tài)范圍器件時(shí)進(jìn)行隔離校準(zhǔn)尤為必要，隔離校準(zhǔn)過程能夠修正端口間的串?dāng)_誤差，提高校準(zhǔn)精度，從而提高測(cè)量結(jié)果精度。

隔離校準(zhǔn)適用于全雙端口SOLT校準(zhǔn)和TRL校準(zhǔn)，可以在【Cal】/(校準(zhǔn))菜單下【Calibration Wizard】/(校準(zhǔn)向?qū)?中，選擇【Isolation】/(隔離)進(jìn)行設(shè)置。

在進(jìn)行隔離校準(zhǔn)時(shí)，需要在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個(gè)測(cè)量端口同時(shí)連接負(fù)載，此時(shí)，測(cè)量接收機(jī)接收到的信號(hào)就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部泄漏的串?dāng)_信號(hào)，在測(cè)量時(shí)通過誤差修正去除串?dāng)_誤差。開展隔離校準(zhǔn)時(shí)，要使用小的中頻帶寬，同時(shí)，打開掃描平均，提高校準(zhǔn)精度。

2.5 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀面板跳線

部分矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀安裝有面板跳線，比如KEYSIGHT公司的高性能PNA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，利用這些跳線可以實(shí)現(xiàn)較多擴(kuò)展測(cè)試功能，在測(cè)試大動(dòng)態(tài)范圍器件時(shí)就可以使用。

為擴(kuò)大矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，可以繞過測(cè)試端口耦合器而直接將信號(hào)饋入接收機(jī)。如圖6所示，信號(hào)不接測(cè)試端口，先取下CPLR ARM—RCVR A IN連接端子，再將信號(hào)直接與RCVR A IN連接。

圖6  PNA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀面板跳線

3. 結(jié)束語

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以方便地測(cè)試大動(dòng)態(tài)范圍微波器件，只有選擇合理的測(cè)試參數(shù)設(shè)置和校準(zhǔn)測(cè)試方法，才能得到較精確的測(cè)試結(jié)果，文章介紹了幾種利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試大動(dòng)態(tài)范圍器件的方法，這些方法操作簡(jiǎn)單，在日常測(cè)試中已得到很好的應(yīng)用，希望對(duì)其他微波測(cè)試工程師能有所幫助。

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