基于矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀ZVB的放大器測試

　　放大器的測試指標可以分為兩類(lèi)：線(xiàn)性指標測試和非線(xiàn)性指標測試。線(xiàn)性指標的測試基于S 參數的測量，采用常規矢量網(wǎng)絡(luò )分析議來(lái)完成。對于非線(xiàn)性指標的測試，傳統測試方案采用頻譜儀加信號源方法，但這種方案有很多缺點(diǎn)如無(wú)法實(shí)現同步掃頻、掃功率測試，不能進(jìn)行相位測量如幅度相位轉化(AM/PM)測量。RS ZVB采用創(chuàng )新的硬件結構，其輸出功率很高、功率掃描范圍寬，因而無(wú)需另外單獨使用前置放大器，一次掃描即可確定放大器功率壓縮特性。ZVB采用了強大的自動(dòng)電平控制設計以及高選擇性、高靈敏性的接收機，因而可在較寬的動(dòng)態(tài)范圍下進(jìn)行放大器的諧波測試而無(wú)需使用外部濾波器。

　　端口匹配特性測量

　　端口匹配特性主要測試端口的S11與S22參數。如端口1的S11參數等于反射信號b1與入射信號a1之比：

　　S11參數也可稱(chēng)為輸入反射因子。S11為復數，工程上通常用回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)來(lái)表達端口的匹配程度。S11與這兩個(gè)參數的關(guān)系如下：

　　以上兩個(gè)參數與S11的換算由ZVB自動(dòng)完成，用戶(hù)只需要在[Format] 菜單中選擇[dB Mag]->回波損耗，[SWR]->駐波比，就可以顯示相應的測試曲線(xiàn)。ZVB提供軌跡統計功能[Trace Statistics]，可自動(dòng)顯示軌跡的最大值、最小值和峰-峰值，并且可以通過(guò)設置 [Eval Range]，來(lái)調整統計頻率范圍。該功能對帶限器件(如濾波器)的帶內指標測試非常有用。

圖1 回波損耗測試和軌跡統計結果

　在電路設計的過(guò)程中，精確輸入阻抗信息對于設計人員更為重要。比如：在手機板設計中，設計人員要精確測試前端放大器的輸入、輸出阻抗，然后根據輸入、輸出阻抗信息來(lái)設計對應的匹配網(wǎng)絡(luò )，達到手機的最大功率發(fā)射和最佳的整機靈敏度。輸入阻抗與S11的關(guān)系如下：

　　用戶(hù)通過(guò)選擇[Format] 鍵中的[Smith]菜單來(lái)顯示阻抗測試軌跡，通過(guò)設置Marker可以方便的測得每一頻點(diǎn)對應的輸入電抗和電阻。另外ZVB標配的虛擬加嵌功能，能模擬 在輸入、輸出端口加上虛擬的匹配網(wǎng)絡(luò )之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的性能。該功能大大簡(jiǎn)化了設計人員的工作量，無(wú)需實(shí)際的電路調整，就能預測調整后的DUT性能。用戶(hù)通 過(guò)選擇[Mode]菜單中的[Virtual Transform]來(lái)激活該功能。

　　傳輸參數測量

　　除了端口匹配特性的測量，放大器前向放大和反向隔離特性也可分別由測試S21 和S12 得到。前向的傳輸參數S21 等于在端口2測得前向功率b2與端口1的激勵功率a1的比值：

　　而放大器的增益等于S21絕對幅度的對數值：

　　反向的傳輸參數S12 等于在端口1測得反向功率b1與端口2的激勵功率a2的比值：

　　而放大器的反向隔離度等于S12絕對幅度的對數值：

用戶(hù)只需分別設置S21和S12的 顯示格式為dB([format] -> [dB Mag])，放大器增益和隔離度即可同時(shí)顯示在ZVB上。

　　圖2 增益和反向隔離測試結果

　　功率壓縮特性測量

　　功率壓縮特性的測試主要用來(lái)衡量待測件(DUT)的線(xiàn)性度。對于放大器的測試，工程上通常采用輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB )來(lái)表征該特性。P1dB的定義為： 隨著(zhù)輸入功率的增加，放大器的增益下降到比線(xiàn)性增益低1dB時(shí)的輸出功率值，如圖3所示。

　圖3 P1dB定義

　　ZVB不僅可以測量參數隨頻率變化的曲線(xiàn)還可以測量參數隨輸入功率變化的曲線(xiàn)。ZVB內置信號源可以提供非常大的功率掃描范圍，其典型值為60dB，而且60dB的功率掃描范圍完全由電子衰減器來(lái)實(shí)現而非采用傳統的機械步進(jìn)衰減器。機械式衰減器的幅度可重復度較差且使用壽命較短，所以ZVB特別適合測試有源器件的功率壓縮特性。

　　P1dB的測量涉及到S21隨著(zhù)絕對輸入功率變化的曲線(xiàn)，而矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀通常用于S參數相對量的測量。為了提高其絕對測量精度，推薦使用的功率計對矢網(wǎng)做功率校準。RS公司的NRP系列功率計可以通過(guò)USB接口直接和ZVB連接，從而省掉功率計主機和昂貴GPIB卡。ZVB功率校準過(guò)程分成兩個(gè)過(guò)程：矢網(wǎng)的內部源幅度校準和接收機幅度校準。在第一個(gè)過(guò)程中將功率探頭直接和矢網(wǎng)的源端口連接，對應選擇 [CAL]鍵下的菜單[Start Power Cal]-> [Souce Power Cal]。 第二步將已校準的源端口和接收端口連接進(jìn)行接收機的校準，對應選擇 [CAL]鍵下的菜單[Start Power Cal]-> [Receiver Power Cal]。

　　諧波測量

　　隨著(zhù)激勵功率的增加，放大器將進(jìn)入非線(xiàn)性工作區，不僅除出現輸出功率壓縮現象，還會(huì )出非線(xiàn)性頻率分量。這些新的頻率輸出分量多為輸入頻率的整數倍，稱(chēng)為諧波分量。設計人員往往比較關(guān)心的是輸入基波分量與諧波分量的幅度差值，因為幅度差越大，意味著(zhù)在同樣的直流輸入功率情況下，更多的功率轉換為所需的基波功率，而非諧波功率，也可視為提高了放大器的效率。ZVB打破了傳統矢網(wǎng)信號源和接收機必須工作在同一頻率上的限制，可以使源和接收機工作在不同的頻率點(diǎn)上。具體對于諧波測量而言，可以讓矢網(wǎng)源輸出基波信號，而接收機工作在諧波頻率上，并可方便實(shí)現對基波輸入頻率或輸入功率的掃描測試。對應ZVB的設置：可先通過(guò)[Chan Select]+[Add channel +trace+Diag Area]的方法來(lái)添加一個(gè)新的觀(guān)測窗口和新的測試通道。然后在[Mode]鍵下選擇[Harmonics]進(jìn)入諧波測試模式，而后通過(guò)選擇 2nd、3rd或者輸入其它諧波次數來(lái)測量對應的諧波。

　　對于測試絕對諧波功率對輸入基波功率的變化，同樣推薦在測試前應該進(jìn)行功率校準。ZVB也提供諧波功率校準的方法。通過(guò)[Harmonic Power Cal] 進(jìn)入功率校準對話(huà)框，其基本操作過(guò)程與測試放大器功率壓縮特性時(shí)相同，只不過(guò)在進(jìn)行源功率校準時(shí)的頻率為整個(gè)測試頻率而在接收機校準時(shí)的頻率為諧波頻率而已。

　　幅度相位轉化測量

　　放大器的非線(xiàn)性特征除了功率壓縮和產(chǎn)生諧波頻率兩個(gè)方面外，還有相位非線(xiàn)性特征，即隨著(zhù)輸入功率的改變，放大器插入相移的變化。工程上通常采用AM/PM轉化來(lái)描述，其具體的定義為： 輸入功率每變化1dB ,插入相移的改變量，單位為Degrees/dB。

　　同功率壓縮特性的測量一樣，應設置ZVB掃描類(lèi)型 [Sweep Type] 為功率掃描 [Power]。測試軌跡為S21，但顯示格式[Format]應設置為相位方式[Phase]。在測試過(guò)程中，可使用ZVB 提供Delta Marker與Reference功能方便的讀值。