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平衡矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測(cè)試的技巧分析

 
        傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA(vector networkanalyzer)在測(cè)量平衡/差分器件時(shí),通常采用所謂的“虛擬”方法:網(wǎng)絡(luò)分析儀用單邊(single-ended)信號(hào)激勵(lì)被測(cè)件,測(cè)出其不平衡(unbalanced)參數(shù),然后網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算,把不平衡參數(shù)轉(zhuǎn)換成平衡參數(shù)。該方法對(duì)于分析小信號(hào)(線(xiàn)性)狀態(tài)下的有源/無(wú)源器件已經(jīng)夠用。但是當(dāng)器件處于大信號(hào)(非線(xiàn)性)工作狀態(tài)時(shí),該方法測(cè)試結(jié)果的精度就受限了。盡管人們想出了很多方法克服這個(gè)問(wèn)題:例如采用“理想的”寬帶功分器或耦合器,但是這些方法都無(wú)法進(jìn)行全系統(tǒng)校準(zhǔn)。幸運(yùn)的是羅德與施瓦茨公司(Rohde& Schwarz)的多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA和ZVT,通過(guò)添加新的選件,就可以實(shí)現(xiàn)精確的寬帶差分器件測(cè)量,并且操作方便。 

R&SZVx-K6選件是一種概念全新的技術(shù),并且獲得了多項(xiàng)專(zhuān)利。該公司已經(jīng)在多種有源器件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)該方法得出的增益壓縮點(diǎn)結(jié)果和“虛擬”方法相比,確實(shí)有一定差距。圖1就是一個(gè)典型的例子,這個(gè)實(shí)驗(yàn)采用R&SZVA40網(wǎng)絡(luò)分析儀,在兩種模式下分別測(cè)試一個(gè)2GHz的微波單片集成MMIC(monolithic-microwave-integrated-circuit)放大器?梢钥闯,在小信號(hào)(線(xiàn)性)的情況下,兩種方法的測(cè)量結(jié)果一樣,但是在放大器處于壓縮狀態(tài)(大信號(hào))的情況下,兩種方法的測(cè)量結(jié)果有明顯差異。采用真差分激勵(lì)測(cè)得的增益,比采用虛擬方法的結(jié)果提前4dB出現(xiàn)壓縮,并且最大增益的測(cè)量結(jié)果也要低0.5dB。

 

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這種新技術(shù)的改進(jìn)(優(yōu)點(diǎn))有如下三方面:


1.目前差分放大器在手機(jī)、智能電話(huà)、數(shù)據(jù)卡和其他移動(dòng)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。但是這些器件目前大多采用虛擬方法來(lái)測(cè)試(由于以前還沒(méi)有真差分測(cè)試技術(shù))。也就意味著目前測(cè)得的器件特性并不正確。

2.如果器件實(shí)際出現(xiàn)壓縮的功率,比廠商標(biāo)注的要低(因?yàn)閺S商目前都用虛擬方法測(cè)試),也就意味著現(xiàn)在的很多放大器都處于壓縮(過(guò)載)狀態(tài)下工作,其實(shí)際互調(diào)產(chǎn)物要比設(shè)計(jì)值高很多。 

3. 采用虛擬方法設(shè)計(jì)生產(chǎn)手機(jī)的廠商,目前必須“功率回退”技術(shù),才能達(dá)到理想的線(xiàn)性功率性能。

然而采用“功率回退”技術(shù)意味著需要更多(或輸出功率更高)的有源器件,才能達(dá)到指定的輸出功率,可能需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)發(fā)射機(jī)部分。 

當(dāng)然,如果能更精確的測(cè)試出平衡器件的特性,器件、系統(tǒng)廠商就可以在產(chǎn)品出廠之前(而不是在使用中出現(xiàn)問(wèn)題之后),設(shè)計(jì)出理想的性能和工作條件。 

用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量差分(平衡)器件時(shí),儀器只能產(chǎn)生單端激勵(lì),通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算,把測(cè)得的單端S參數(shù)轉(zhuǎn)化為差分S參數(shù)。儀器并沒(méi)有用差分信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)件,而是把它當(dāng)成一個(gè)單端器件來(lái)測(cè)量的。然后使用測(cè)得的單端S參數(shù),計(jì)算出混合模S參數(shù)。由于沒(méi)有使用真實(shí)的差分信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)件,這種虛擬方法的精度難以保證。這種方法的精度在小信號(hào)(線(xiàn)性)狀態(tài)下尚可,但是在大信號(hào)(非線(xiàn)性)狀態(tài)下,難以保證。

當(dāng)有源器件處于大信號(hào)激勵(lì)下,其非線(xiàn)性特性逐步顯露(通常用1dB或3dB壓縮點(diǎn)來(lái)衡量),這時(shí)采用傳統(tǒng)虛擬方法測(cè)量有源器件,就很難得到理想的結(jié)果。例如用虛擬法測(cè)得某個(gè)放大器的1dB壓縮點(diǎn)比實(shí)際值偏高,如果用這個(gè)參數(shù)去指導(dǎo)設(shè)計(jì),則設(shè)計(jì)出的放大器就可能會(huì)于過(guò)載狀態(tài),從而產(chǎn)生很多非線(xiàn)性產(chǎn)物。然而,以前網(wǎng)絡(luò)分析儀只能提供虛擬方法,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀控制其輸出的兩路信號(hào)源的幅度和相位的技術(shù)極其復(fù)雜。 

羅德與施瓦茨公司開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù),首次實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出真正差分信號(hào),用來(lái)激勵(lì)射頻微波平衡器件,其最高頻率高達(dá)40GHz。該方法基于專(zhuān)利控制的技術(shù),控制兩路內(nèi)部源的幅度和相位,以及專(zhuān)利的差分矢量校準(zhǔn)技術(shù)。R&SZVA(2、3、4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀)或該公司的ZVT(多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀)內(nèi)部的兩路源可以產(chǎn)生幅度相同,相位差為0度或180度的信號(hào),其相位差的不確定度小于1度。用這組差分信號(hào)激勵(lì)被測(cè)件,可以直接測(cè)出差模或共模響應(yīng),經(jīng)過(guò)矢量修正,直接得出混合模S參數(shù)。 

傳統(tǒng)的虛擬方法工作原理如下:在每一個(gè)頻點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口輸出一個(gè)單端激勵(lì),在2、3、4端口測(cè)量傳輸分量,在1端口測(cè)量反射分量,然后分別再用2、3、4端口輸出單端激勵(lì)信號(hào),重復(fù)上述測(cè)試?梢缘贸16個(gè)單端S參數(shù)(S11到S44),再用這16個(gè)參數(shù)計(jì)算出混合模S參數(shù)Sxxyy。但是對(duì)于非線(xiàn)性器件,儀器的1端口和2端口不能輸出激勵(lì)信號(hào),因此不能再現(xiàn)被測(cè)件在實(shí)際工作狀態(tài)下的性能。 

產(chǎn)生真正的差分信號(hào)有很多難題需要克服:首先,要在兩個(gè)內(nèi)部源之間實(shí)現(xiàn)180度相移,還要精確的控制這個(gè)相位差,以保證差分信號(hào)的質(zhì)量。另外,在測(cè)量和校準(zhǔn)參考平面,這個(gè)相位差仍然保持有效。而測(cè)試使用電纜的損耗、相位以及其他特性都會(huì)變化,這些都給精確的測(cè)量帶來(lái)很多困難。 

儀器的校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的“直通-開(kāi)路-短路-匹配TOSM”(thru-open-short-match 或稱(chēng)SOLT)校準(zhǔn)方法一致。即使測(cè)試電纜不對(duì)稱(chēng)(例如長(zhǎng)度不同)或者在片測(cè)試,這種校準(zhǔn)方法也適用。該儀器也能產(chǎn)生相位差為0度(同相)的信號(hào),進(jìn)行共模測(cè)試。以前的儀器中,相位隨時(shí)間以及溫度漂移是一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題,這里內(nèi)部源采用了特殊的算法和控制電路,不斷的檢驗(yàn)并修正內(nèi)部源的相位差,以保證差分信號(hào)嚴(yán)格的幅度相位關(guān)系。

 

平衡VNA測(cè)試的技巧分析

真正差分技術(shù)測(cè)量一個(gè)4端口平衡器件的具體工作步驟如下: 

網(wǎng)絡(luò)分析儀的1號(hào)邏輯端口(實(shí)際上由兩個(gè)物理端口組成)發(fā)出幅度相同、相位差為180度的差模信號(hào),加載到被測(cè)件上,在2端口測(cè)量傳輸分量的差模和共模響應(yīng),同時(shí)在1端口測(cè)量反射分量的差模和共模響應(yīng);然后儀器的1號(hào)邏輯端口產(chǎn)生幅度相同、相位差為0度的共模信號(hào),同樣分別測(cè)量傳輸和反射信號(hào)的差模/共模響應(yīng)。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的2號(hào)邏輯端口發(fā)出幅度相同、相位差為180度的差模信號(hào),加載到被測(cè)件上,在1端口測(cè)量傳輸分量的差模和共模響應(yīng),同時(shí)在2端口測(cè)量反射分量的差模和共模響應(yīng);然后儀器的2號(hào)邏輯端口產(chǎn)生幅度相同、相位差為0度的共模信號(hào),同樣分別測(cè)量傳輸和反射信號(hào)的差模/共模響應(yīng)。被測(cè)件的混合模S參數(shù)可以直接由上述的差模/共模響應(yīng)計(jì)算得到,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)誤差修正后,直接在儀器屏幕上顯示。完成上述所有測(cè)試的掃描時(shí)間僅需300ms。 

該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)幅度和相位不平衡掃描(以模擬非理想狀態(tài))。對(duì)于幅度不平衡掃描,這時(shí)兩路信號(hào)的幅度不再相等,其中的一路可以在用戶(hù)設(shè)定的范圍內(nèi)功率掃描。類(lèi)似的,對(duì)于相位不平衡掃描,兩路信號(hào)的相位差不再保持180度,而是在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)變化。這兩種掃描方式都是為了模擬非理想工作狀態(tài),為設(shè)計(jì)者提供更多的參考信息。

用戶(hù)可以簡(jiǎn)單的通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo),在虛擬模式和真差分模式間切換,并且兩種方法的測(cè)試結(jié)果可以在同一個(gè)圖形中實(shí)時(shí)顯示。而且兩種方法的校準(zhǔn)技術(shù)相同,用戶(hù)無(wú)需分別校準(zhǔn)。該儀器還提供一種簡(jiǎn)單、直觀的平衡器件測(cè)試向?qū)С绦。真差分測(cè)量技術(shù)無(wú)需硬件更新,可以在任何4端口ZVA系列,以及任何端口數(shù)大于3的ZVT系列網(wǎng)絡(luò)分析以上使用。 

作者:Yassen Mikhailov

網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)品經(jīng)理

羅德與施瓦茨公司

 

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