讓RF儀器發(fā)揮最大功效

　如何讓你的RF儀器發(fā)揮最大效能？

　　新款 RF 儀器均具備絕佳的精確度與測量功能，已大幅超越之前的產(chǎn)品，但如果信號無(wú)法達到一定質(zhì)量，這些儀器也無(wú)法發(fā)揮其功能；聲音測量實(shí)際操作與相關(guān)要素，將可讓使用者完全了解自己投資的 RF儀器。

　　進(jìn)行穩定的 RF 測量操作

　　在理想狀態(tài)下，應可輕松進(jìn)行 RF 測量操作，但實(shí)際上卻有著(zhù)許多難題；目前既有的 RF 儀器已經(jīng)可以滿(mǎn)足主要的 RF 測量，如功率、頻率與噪聲，但”獲得結果”不見(jiàn)得就是”獲得正確的結果”。若能在 RF 測量操作中建構最佳實(shí)作范例，就能確保獲得穩定、精確，且可重復使用的測量結果。

　　先了解術(shù)語(yǔ)

　　諸如”精確度”、”可重復性”、”分辨率”，與”不確定性”的術(shù)語(yǔ)，都經(jīng)常在 RF 應用中遭混用或誤用，反而降低了測量的正確度。在進(jìn)行 RF 測量操作之前，必須先了解重要術(shù)語(yǔ)，還有其正確的對應文字。

　　相對于模擬量表而言，當要在模擬量表上分辨正確讀數時(shí)，儀器的數字顯示方式絕對要簡(jiǎn)單許多。然而，如果數字顯示器呈現小數點(diǎn)后 3 位的數值，則使用者也無(wú)法了解儀器或測量操作的分辨率與精確性。

　　即便可顯示數千個(gè) dB 的功率，或到小數單位的 Hertz 頻率，也不代表該儀器就能測量數分鐘之內的變化，所顯示的位數應要能超過(guò)儀器的測量功能所及。為了完整了解 RF 儀器的功能，應隨時(shí)參閱規格說(shuō)明或數據，正確的術(shù)語(yǔ)定義，將可減少使用者對測量的疑慮。接著(zhù)列出常見(jiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：

　　˙分辨率 (Resolution)──儀器所能確實(shí)偵測的最小變化量 ；

　　˙可重復性(Repeatability)──在相同條件與結果之下，可重復進(jìn)行的測量次數；

　　˙不確定性(Uncertainty)──將測得的未知絕對值予以量化 ；

　　˙精確度(Accuracy)──儀器在已知誤差范圍內所能測得的參數實(shí)際/絕對值。

　　如果能預估錯誤信息來(lái)源，往往就能決定測量操作的不確定性。除了上面提到的術(shù)語(yǔ)之外，也可以到 National Institute Standards and Technology (NIST) 或其它標準機構，找到相關(guān)規格說(shuō)明文檔?？勺粉櫺?(Traceability) 則可確保所有測量?jì)x器均是以常見(jiàn)標準所定義。

　　而”規格 (Specification)”則是由測試設備的保證效能，并可由 NIST 追蹤相關(guān)校準認證。”典型、常見(jiàn) (Typical)”意指已完全測試的效能，但并未納入測量的不確定性。”名目、表列 (Nominal)”效能為輔助信息，而并非所有儀器都經(jīng)過(guò)此項測量。

　　精確度為儀器在已知誤差范圍內所能測得的參數實(shí)際/絕對值，也就是所謂的 X plus 或 minus Y。如果沒(méi)有某些誤差限制與單位，則測量值”34”并無(wú)任何意義。同樣的，僅有”5”的誤差規格也無(wú)任何意義；但”5%”的誤差標準也沒(méi)意義。

　　“5%”可代表”±5%”，也可為”+3%”或”-2%”；舉例來(lái)說(shuō)，精確度的正確表示方式應為”34 V +/- 1 V”、”34 V +/- 1%”，或”34 V +2/-1 V”。進(jìn)一步了解 RF 測量術(shù)語(yǔ)，就能更熟悉其意義。如果要與別人精確溝通測量操作，則應該先了解相關(guān)結果。

　　了解自己的受測設備

　　受測設備(Device under test，DUT) 可能大幅影響 RF 測量操作。舉例來(lái)說(shuō)，溫度就可能影響穩定性與可重復性，許多 RF 設備與儀器并不會(huì )自行補償溫度變化，因此必須先穩定溫度，才能將測量操作的漂移錯誤降至最低。還有立即的環(huán)境影響(如是否有空調循環(huán)、是否加蓋與嵌板、處于室內或室外、是否靠近熱源) 均應納入變量考慮，并應注意暖機次數、DUT 冷卻條件，與外圍環(huán)境，與保持穩定的溫度。

　　在主動(dòng)式設備中，多余的功率可能造成設備發(fā)熱；以高功率的放大器為例，DUT 本身可達穩定的溫度，但后續的組件就不一定，銜接放大器輸出的切換器與衰減器就常有升溫現象。這時(shí)就可能要找出由放大器所產(chǎn)生的不定信號，如諧波。

　　電源供應線(xiàn)可能產(chǎn)生環(huán)境噪聲，并直接影響輸出；而當放大器處于壓縮狀態(tài)時(shí)，若測量其線(xiàn)性參數 (增益與相位) 也將無(wú)法得到相關(guān)結果。因為所有因素均將影響 RF 測量操作的精確度，在測量設備之前，先行了解 DUT、操作方式，與其對 RF 測量參數的影響，才能獲得有意義的結果。

　　找出不確定性的范圍

　　若要比對 RF 測試設備的規格與 DUT 的測量需求，還略顯不足；如果 RF 測量操作的頻率較高，而儀器又較不符合所需規格時(shí)，更加擴大不確定性的范圍。接著(zhù)各個(gè)測量步驟均可能發(fā)生錯誤，進(jìn)而影響整體結果。當進(jìn)行錯誤測量時(shí)，應先找出測量操作的可能錯誤，再找出可能影響的 DUT。

　　使用者應該了解儀器的重要操作規格，還有各個(gè)測量步驟所牽連的設備 (包含 DUT 在內)；而其它相關(guān)規格則應了解配對、功率、頻率響應與噪聲系數。也應了解所有參數的容錯范圍，并記住如下的參數：

　　˙RF 切換的可重復性、老化程度，與功率承載；

　　˙耦合器的方向系數，連接線(xiàn)的相位穩定性，還有轉接器的插入(Insert)損耗與折返損耗 (Return loss)；

　　˙電路板線(xiàn)路的阻抗質(zhì)量、適配卡插槽，與電路板的傳輸開(kāi)關(guān)情形 ；

　　˙測量操作的電磁波干擾(EMI http://www.eettaiwan.com/CAT_480602_EMI-EMC-design.HTM>)強度。

　　并未正式納入考慮的還有冷卻、諧波、混附信號(Spur)，與其它非線(xiàn)性動(dòng)作，均可能影響測量操作?？刹殚喺w設定情形，再找出各個(gè)部分的誤差幅度，以得到測量不確定性的實(shí)際數據。另應找出錯誤來(lái)源，以了解其對精確度、可重復性與不確定性的影響，如此將可得到更精準的測量結果，并可高效率決定預算與資源。

　　注意所有組件與連結

　　產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、設計、測試，直到上市的成本，都是巨額的投資。公司的能否延續，可能就以 1 款產(chǎn)品的效能而定生死。對高效能的 RF 測試設備來(lái)說(shuō)，由于必須能滿(mǎn)足甚或超過(guò)目前市場(chǎng)所需的重要規格，因此其可能投入的資金更是難以估計。除了必須具備競爭優(yōu)勢之外，也可能影響公司的后續營(yíng)收。

　　但是昂貴、高效能，且精確校準過(guò)的 DUT 與測試系統還不夠，針對中間用以銜接設備用的連結組件，也必須考慮其質(zhì)量與可重復性。若能提升關(guān)鍵規格達 1/10 或 1/5 的 dB，就可能達到高競爭優(yōu)勢。

　　對絕大部分的標準而言，最好是能達到 1：1.5 的電壓駐波比(VSWR)，但匹配(Match)的強度也可能影響錯誤的為匹配的不確定性達 +/-0.35dB (約略值)。當造成過(guò)多的不確定性時(shí)，就不可能達到 0.2 dB 的關(guān)鍵規格。

　　其它受到忽略的項目 (如連接線(xiàn)、切換器、衰減器、插槽、轉接器，與配件) 也能影響整體的測量結果。如果要開(kāi)始測量操作，應先達到所需的精確度，接著(zhù)選擇合適的組件。依目前公認的標準，測量系統的效能最好達到 DUT 受測參數的 10 倍之譜。

　　如果已經(jīng)擁有高質(zhì)量的信號路徑，則接著(zhù)就是安排完整的測量實(shí)作；使用者應確保清潔并存放連接線(xiàn)、接頭，與轉接器，就算是最高級的連接線(xiàn)與轉接器也會(huì )磨損，若零件老化就應淘汰，這些都算測試操作的耗材，并應逐步減少轉接器的使用機會(huì )。

　　此外應定期使用扳手與線(xiàn)路量表進(jìn)行調整，即可盡量避免熱切換(Hot-switching)；并請注意，應適時(shí)靜電放電 (Electro-static discharge，ESD)。即便于測試系統與 DUT 之間使用最高質(zhì)量的組件，若連接的零件過(guò)多，也可能造成測量錯誤。

　　為測量操作選用正確的工具

　　根據所要測量的參數與所需的精確度，其測量 DUT 的 RF 設備也有所不同。能投資設備當然最好，但如果僅能發(fā)揮設備某部分的效能，就形成預算浪費。如果僅需測量 RF 功率，則 RF 功率計當然優(yōu)于矢量信號分析儀 (VSA)。

　　標量(Scalar)儀器僅能測量強度 (振幅)，而矢量?jì)x器則可測量強度與相位。就算測量操作不需相位值，則由于矢量?jì)x器的相位信息可找出系統中的無(wú)用反射并將之量化，因此也可用以修正錯誤。

　　在購買(mǎi) RF 設備時(shí)，價(jià)格往往并不等同于功能。高質(zhì)量的掃頻調協(xié)頻譜分析儀(Swept-tuned spectrum analyzer)，往往就能占去大部分的預算；就該款儀器原始的測量功能而言，雖然已可達 ± 1 dB 或較差的精確度并可用于一般測量，但卻無(wú)法滿(mǎn)足絕對 RF 功率的測量需要。同樣的，若使用中的儀器可達 -140 dBm/Hz 的噪聲水平，此款儀器就難以測量 -155 dBm/Hz 噪聲水平的 DUT。

　　所以請為測量選擇正確的工具；若購買(mǎi)的設備效能超出所需的測量精確度太多，就浪費了成本與資源，而且可能排擠到其它部分的預算分配。在某些情況下，連接線(xiàn)與切換器甚至更有助于提升測量質(zhì)量。

　　開(kāi)發(fā)測量程序

　　一旦建構自己所需的最佳實(shí)作，就可以將其安裝到測量程序中，更有利于整個(gè)團隊的溝通，接著(zhù)就能讓 RF 測量結果達到更好的可重復性與一致性。舉例來(lái)說(shuō)，測量程序的常見(jiàn)問(wèn)題之一就是：”應多久校準 1 次”。

　　許多 RF 儀器對環(huán)境的變化極其敏感，因此就必須時(shí)常校準設備；高精確度的測量需求也常常影響了校準頻率。不論哪種情況，均應了解 RF 設備的校準需求，并將之列入測量程序中。

　　從設計、檢驗、測試，到制造的所有程序，都會(huì )影響 RF 的測量功能。使用者也需考慮制造過(guò)程所應測試并檢驗的操作參數，而可能影響精確度、可重復性，與不確定性的前/后 1 項程序 (如重新操作、焊接、組裝，與絕緣)，均應納入考慮。

　　若要建構良好的 RF 實(shí)作，也應考慮相關(guān)程序。也可連帶簡(jiǎn)化學(xué)習與標準化的過(guò)程。而后續從建構程序直到產(chǎn)品使用壽命，”一致性”也將影響 RF 參數與測量結果。

　　提高 RF 測量操作的質(zhì)量

　　要進(jìn)行 RF 測量操作很簡(jiǎn)單，但要能準確測量就有些許難度。若能建構完整實(shí)作并用于程序之中，將可提升 RF 測量的質(zhì)量。

　　還有許多方法可找出并建置最佳實(shí)作范例。應不斷設法提升 RF 測量質(zhì)量，以確實(shí)了解測量要點(diǎn)并用于實(shí)作之中。從提高 RF 測量技巧到完整發(fā)揮 RF 設備的效能，此篇技術(shù)文章所提及的步驟均屬于基礎概念而已。