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AgilentN5242APNA-X微波網(wǎng)絡(luò)分析儀。由于PNA-X的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)，它不僅提供卓越的性能和精度，而且還能針對超越與網(wǎng)絡(luò)分析儀相關(guān)的傳統(tǒng)散射參數(shù)（S參數(shù)）的各種測量進(jìn)行配置。一些內(nèi)置組件（如第二個(gè)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(jìn)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。

    確保精確的系統(tǒng)模擬

    精確的幅度和相位測量對應(yīng)用在現(xiàn)代化無線和航空/國防系統(tǒng)設(shè)備中的器件至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)模擬需要高度精確的元件表征來保證系統(tǒng)滿足其性能要求。在生產(chǎn)制造中，精確的測量驗(yàn)證每一個(gè)元件是否滿足其公布的指標(biāo)。

    S參數(shù)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(jié)果能確定射頻器件在正向和反向傳輸信號時(shí)其以復(fù)數(shù)值（幅度和相位）表示的反射和傳輸性能。它們?nèi)�面描述了射頻元件的線性特性，這對全系統(tǒng)模擬來說是有很有必要的一部分，但要對全系統(tǒng)做更加完全的模擬時(shí)，僅僅進(jìn)行S參數(shù)測試是不夠的，諸如器件特性隨頻率變化而呈現(xiàn)出的幅度響應(yīng)不平坦性或相位響應(yīng)斜率的不恒定性等這些偏差都會引起嚴(yán)重系統(tǒng)性能下降。

    器件的非線性特性也會造成系統(tǒng)性能的劣化。例如，如果放大器的驅(qū)動信號已經(jīng)超過其線性工作的范圍，則它將會出現(xiàn)增益壓縮、調(diào)幅到調(diào)相（AM到PM）的轉(zhuǎn)換及互調(diào)失真（IMD）。

    核心測量概述

    矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是測定元件特性最經(jīng)常使用的儀器。傳統(tǒng)VNA包含一個(gè)給被測器件（DUT）和多測量接收機(jī)提供激勵(lì)的射頻信號發(fā)生器，以測量信號在正向傳輸和反向傳輸時(shí)入射、反射和傳輸信號（圖1）。信號源在固定功率電平進(jìn)行掃頻以測量S參數(shù)，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(zhuǎn)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(tǒng)二端口VNA框圖

    對于基本的S參數(shù)和壓縮測試，信號源和接收器調(diào)諧到相同的頻率。不過，通過使信號源和接收機(jī)頻率偏移，將接收機(jī)調(diào)諧至激勵(lì)頻率的整數(shù)倍，也能測出放大器的諧波性能。使信號源和接收機(jī)頻率偏移的能力同樣可以測量頻率轉(zhuǎn)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(xù)波進(jìn)行激勵(lì)（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(fù)頻率進(jìn)行選通。

    傳統(tǒng)VNA有兩個(gè)測試端口，這在大多數(shù)射頻器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口時(shí)可滿足需要。隨著無線通信領(lǐng)域的快速增長，三個(gè)或四個(gè)端口的器件已經(jīng)非常普遍，因而四端口網(wǎng)絡(luò)分析儀也和二端口網(wǎng)絡(luò)分析儀同樣會被普遍使用。

    簡化放大器和混頻器測量

    利用二端口或四端口時(shí)，PNA-X與傳統(tǒng)VNA結(jié)構(gòu)相比有四大改進(jìn)：

    兩個(gè)信號源：第二個(gè)內(nèi)部信號源與第一個(gè)信號源的頻率和功率電平設(shè)置是相互獨(dú)立的。第二個(gè)信號源可用于非線性放大器測試如互調(diào)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(nèi)部信號合路器可以在儀器的相關(guān)測試端口耦合器之前將兩個(gè)源合并在一起。這便簡化了需要兩個(gè)信號源的放大器測試設(shè)置。

    信號切換和接入點(diǎn)：輔助開關(guān)和射頻接入點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)靈活的信號路徑選擇，并增加外部信號調(diào)理得硬件（如推動放大器）或外部測試設(shè)備（如數(shù)字信號發(fā)生器或矢量信號分析儀）。

    脈沖測試能力：內(nèi)部脈沖調(diào)制器和脈沖發(fā)生器提供完全一體化的脈沖S參數(shù)解決方案。

    這些改進(jìn)簡化了測試設(shè)置過程并在測量放大器、混頻器和變頻器時(shí)縮短了測試時(shí)間。這些新增加的特性結(jié)合在一起極大地?cái)U(kuò)大了對被測器件（DUT）進(jìn)行一次連接可以實(shí)現(xiàn)的測量范圍。圖2示出一個(gè)對放大器的S參數(shù)、增益壓縮和相位壓縮及固定信號IMD進(jìn)行同時(shí)測量的實(shí)例。    

圖2.顯示表對放大器的S參數(shù)、壓縮和IMD進(jìn)行同時(shí)測量的PNA-X實(shí)例

    兩個(gè)內(nèi)置信號源的性能增強(qiáng)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+20dBm（取決于型號和頻率）。這對將放大器驅(qū)動到非線性區(qū)很有幫助，并且在把信號源用作測試混頻器的LO信號時(shí)也經(jīng)常要這樣。這兩個(gè)內(nèi)置信號源的諧波成分也非常低（通常為–60dBc或更低），從而提高諧波和IMD測量的精度。此外，典型置為40dB的功率掃描范圍使得在表征放大器的特性時(shí)很容易就可以讓放大器從線性工作范圍轉(zhuǎn)化到非線性工作范圍。

    解決各種測量問題

    雖然VNA只需一個(gè)射頻源就可以測量元件的S參數(shù)、壓縮和諧波，但增加第二內(nèi)部信號源則可以對更為復(fù)雜的非線性特性，如IMD，進(jìn)行測量，特別是當(dāng)這兩個(gè)源與網(wǎng)絡(luò)儀內(nèi)部的信號合路器配合使用時(shí)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(gè)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(nèi)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(xiàn)的互調(diào)分量。在通信系統(tǒng)中，這些多余的分量將進(jìn)入工作頻帶且不能通過濾波去除。實(shí)踐中，只測三階分量，因?yàn)樗鼈兪窃斐上到y(tǒng)性能下降的最重要因素。

    圖4示出一個(gè)用PNA-X完成的掃描IMD測量實(shí)例。兩條居中跡線顯示激勵(lì)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(yōu)勢的公式編輯特征計(jì)算并顯示的三階截獲點(diǎn)（IP3）。    

圖4.掃頻IMD測量的PNA-X實(shí)例

    在掃描狀態(tài)下進(jìn)行IMD測試的一個(gè)非常有用的改變是對功率電平而不是對頻率進(jìn)行掃描，這有助于研發(fā)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(jié)果中，您可以看到基頻信號以及三階、五階和七階互調(diào)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(jìn)行功率掃描IMD測試的實(shí)例

    與其它方法相比，使用VNA進(jìn)行以上測量有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，只用一臺測試儀器，只進(jìn)行一次連接便能對全部參數(shù)進(jìn)行測量：S參數(shù)、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(jì)對VNA進(jìn)行校準(zhǔn)之后，測量精度更高。最后，如果使用一臺頻譜分析儀和兩個(gè)獨(dú)立的信號源進(jìn)行同樣的測試，完成測試需要花幾分鐘的時(shí)間，但使用PNA-X只需0.6秒。

    相位與驅(qū)動的關(guān)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(gè)測試參數(shù)表征的是當(dāng)在相鄰?fù)ǖ阑驇�外存在大信號時(shí)，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(gè)大信號和一個(gè)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(shí)（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(shù)、在建立晶體管和放大器非線性行為模型時(shí)會用到的參數(shù)是“熱態(tài)S參數(shù)”（準(zhǔn)確地說是“放大器工作狀態(tài)下的S參數(shù)-譯者注）”，這種測試方法用來表征在某一給定頻率下，當(dāng)存在一個(gè)比較大的偏離于S參數(shù)測試信號的另外一個(gè)輸入信號，并且被測放大器的輸出因?yàn)檫@個(gè)大信號的存在而產(chǎn)生壓縮時(shí)，放大器小信號S參數(shù)的特性。在進(jìn)行熱態(tài)S參數(shù)測試時(shí)，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(wǎng)絡(luò)分析儀測試接收機(jī)的損壞電平。

    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(chǎn)生。平衡元件可以是在三個(gè)射頻端口的平衡-單端器件或有四個(gè)端口的平衡-平衡器件。用四端口VNA很容易對這些元件進(jìn)行測試，可以測量差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及模式變換項(xiàng)。

    這些測試可以用單端激勵(lì)或真實(shí)模式激勵(lì)來完成。單端法是每次只測試一個(gè)DUT端口（只需要一個(gè)射頻源）并對差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及交叉模式特性進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。這是最快且精確的技術(shù)，條件是外加功率電平應(yīng)使AUT保持在線性或適度壓縮的工作區(qū)。

    在高驅(qū)動電平條件下測試放大器的平衡性能時(shí)，如果仍然使用單端測量的方法，非線性特性會引測量結(jié)果的嚴(yán)重誤差，這就需要真實(shí)（差分或平衡）模式激勵(lì)。這種方法將兩個(gè)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(gè)條件：對兩個(gè)信號源的相位差做高分辨率的調(diào)整；以及能調(diào)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。PNA-X能滿足這兩個(gè)要求。

圖6.針對矢量混頻器測量配置的四端口PNA-X框圖    

    測試混頻器和變頻器

    第二個(gè)內(nèi)部信號源也可用于測試頻率轉(zhuǎn)換器件如混頻器或變頻器，測試時(shí)除輸入激勵(lì)之外還需要LO信號。第二個(gè)信號源對掃描LO測試十分有用，在測試時(shí)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(gè)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(fā)生器相比，使用從VNA內(nèi)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(tǒng)方法的測試速度最高可快35倍）。

    使用PNA-X進(jìn)行混頻器和變頻器測量的設(shè)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(jìn)行測試。第二個(gè)信號源的兩個(gè)輸出可用于驅(qū)動參考混頻器和DUT混頻器（圖6）。

    結(jié)論

    基于VNA的測試系統(tǒng)為測量無線通信和航空/國防系統(tǒng)中所使用的射頻和微波元件提供了動力。與傳統(tǒng)VNA相比，AgilentPNA-X微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)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(nèi)最主要的增加項(xiàng)是第二個(gè)信號源和內(nèi)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(shù)、壓縮和諧波的傳統(tǒng)單信號源測量之外，兩個(gè)信號源還可用于IMD、相位隨驅(qū)動的變化、熱態(tài)S參數(shù)和真實(shí)激勵(lì)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(yīng)當(dāng)前器件的測試要求。【微波EDA網(wǎng)】