運用PNA-X網(wǎng)分進(jìn)行非線(xiàn)性測量

隨著(zhù) TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，越來(lái)越多的科技與研發(fā)人員投入到更先進(jìn)的器件的研究與開(kāi)發(fā)當中。功率放大器以及相應的功能部件是無(wú)線(xiàn)通信設備中最為關(guān)鍵的部件。從設計思想的產(chǎn)生到設計的仿真，再到具體電路的實(shí)現和再次的從仿真到實(shí)現的驗證，給廣大研發(fā)人員提出了巨大的挑戰。同時(shí)，盡快把產(chǎn)品推向市場(chǎng)，取得競爭優(yōu)勢也給研發(fā)人員施加了前所未有的壓力。

在這種高度苛刻的市場(chǎng)要求和競爭的壓力下，研發(fā)人員感到了一種從未有過(guò)的迫切需求，他們需要更為先進(jìn)和創(chuàng )新的工具!以前所未有的方式更加容易、迅速地解決設計中最頭痛的問(wèn)題。在這個(gè)充滿(mǎn)機遇與挑戰的歷史時(shí)期，安捷倫科技推出了創(chuàng )新測試工具——高性能矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀PNA-X N5242A，它是非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )分析測試儀。

PNA-X N5242A非線(xiàn)性矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(NVNA)主要采用兩種方法來(lái)測量被測件(DUT)的非線(xiàn)性效應：一種是非線(xiàn)性元器件特性表征法，另一種是提取 X 參數法。

非線(xiàn)性元器件特性表征測量可提供被測件的入射波、反射波和透射波經(jīng)過(guò)校準和矢量校正后的波形，并可測量和顯示所有的輸入信號和輸出信號的頻譜。因此我們現在可以觀(guān)察失真信號的幅度和相位信息，接下來(lái)我們還可以觀(guān)看任意指定頻率的信號相對相位和絕對幅度。根據這些信息，可以很清楚地知道各個(gè)頻譜分量的幅度和相位信息，從而設計出相應的匹配電路以消除器件的非線(xiàn)性效應，例如三次諧波造成的影響等。這些數據可以顯示在頻率域、時(shí)間域或功率域中，或可以用戶(hù)定義的方式來(lái)顯示，例如顯示動(dòng)態(tài)負載線(xiàn)的 I/V 曲線(xiàn)。NVNA 這種在不同域中顯示同一數據的能力可使設計人員非常清楚地了解和分析非線(xiàn)性元器件的特性。如果在時(shí)域中看到被測件的輸出信號出現失真的話(huà)，便可以把同樣的測試結果切換至頻域，以觀(guān)察各頻率分量的幅度和相位信息。接下來(lái)可以通過(guò)改變功率，來(lái)觀(guān)察在某個(gè)指定基本頻率的給定的功率電平上失真信號的各個(gè)頻譜分量的幅度和相位對基頻功率變化的靈敏度和受影響的程度。非線(xiàn)性元器件特性表征測量的另一實(shí)例是信號通過(guò)倍頻器時(shí)的群延遲測量。NVNA 可測量輸入激勵和輸出信號相對于一個(gè)已經(jīng)過(guò)校準的相位參考信號的相位以及幅度。因此，設計人員能夠相對輕松地完成倍頻器的群延遲測量。NANA 另一個(gè)優(yōu)勢是用戶(hù)可將所有通過(guò)測量獲得的數據導出到用戶(hù)自己選擇的設計模型中。

X 參數法是以非線(xiàn)性元器件特性表征的測量體系結構校準技術(shù)為基礎，將 S 參數以在數學(xué)上和邏輯上都正確的方法擴展至非線(xiàn)性大信號工作環(huán)境中。在 X 參數測量中還需要另外一個(gè)信號源，這樣就能同時(shí)用大信號和小信號來(lái)激勵被測器件。在測量過(guò)程中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是必須小心控制這些信號的相位和幅度。利用測量獲得的信息，便可提取出 X 參數。X 參數能夠提供元器件在線(xiàn)性或非線(xiàn)性狀態(tài)下工作時(shí)的元器件增益和匹配等信息，而且也可以像 S 參數一樣被顯示出來(lái)。由于 X 參數表明了各個(gè)諧波分量的頻率之間的相互關(guān)聯(lián)性，因此X 參數的信息量將會(huì )比 S 參數要多得多。例如，基波頻率的輸出信號與輸入信號的三次諧波之比(即基波對應于三次諧波的增益)顯示為 X 參數時(shí)就是 X21,13。此外，X 參數與元器件的大信號工作狀態(tài)有明顯的關(guān)系，因此輸入功率現在成了一個(gè)變量，這一點(diǎn)是和通常設定與功率無(wú)關(guān)的 S 參數是不同的。X 參數最大的優(yōu)勢之一是給 ADS 提供 PHD (多次諧波失真)模型，這樣就能用 ADS 精確地對各個(gè)元器件中的 X 參數進(jìn)行級聯(lián)，從而設計和仿真更復雜的器件、模塊和系統。X 參數可以從測量結果中把最重要的項目分離出來(lái)，從而能使用戶(hù)對非線(xiàn)性成分的匹配情況加以適當的考慮，精確地實(shí)現非線(xiàn)性的設計和仿真。

X 參數之于非線(xiàn)性測量就如同 S 參數之于線(xiàn)性測量。S 參數是為了對射頻元器件的線(xiàn)性特性進(jìn)行分析和建模而開(kāi)發(fā)的一種方法。在把多個(gè)獨立的器件級聯(lián)起來(lái)做成一個(gè)比較復雜的系統時(shí)，S 參數在分析、建模和設計的過(guò)程中也起著(zhù)重要的作用。它們與很多種工程師所熟悉的測量結果是密切關(guān)聯(lián)的，例如 S11 與輸入匹配、S22 與輸出匹配、S21 與增益/損耗、S12 與隔離度等等，S 參數也都可以輕松地導入 ADS 之類(lèi)的電子仿真工具中。盡管 S 參數用途廣泛且功能非常強大，但它們也有其局限性，即只能用于小信號和線(xiàn)性系統。

傳統的網(wǎng)絡(luò )分析儀是測量 S 參數的，在非常有限的程度上也可以使用某些近似方法來(lái)分析元器件的非線(xiàn)性特性。例如可以把測試接收機的測試頻率調諧到偏離于激勵信號頻率的某個(gè)值，使測試接收機進(jìn)行與通常測試 S 參數時(shí)所需要的比值測試不同的非比值測試，增益壓縮、諧波的幅度、頻率轉換器的匹配、變頻損耗/增益和群延遲等指標就是用傳統網(wǎng)絡(luò )分析儀(或小信號 S 參數分析儀)進(jìn)行非線(xiàn)性特性測試的指標。開(kāi)發(fā) X 參數測試是為了以一種更穩定和更全面的形式來(lái)表征和分析射頻元器件的非線(xiàn)性特性。這些參數是 S 參數在大信號工作條件下的一個(gè)擴展。這意味著(zhù)要先把元器件驅動(dòng)到飽和工作狀態(tài)，這也是許多元器件的實(shí)際工作狀態(tài)，然后再在這些條件下對器件進(jìn)行測試。同樣，人們無(wú)需了解被測件的內部電路結構，它只是電壓波形的一個(gè)激勵響應模型。關(guān)鍵在于基波和所有有關(guān)諧波的絕對幅度和相關(guān)頻率的相位信息都可以使用 X 參數來(lái)精確地進(jìn)行測量和表征。

X 參數信息的價(jià)值可以在設計功率放大器的過(guò)程中體現。為了獲得最大輸出功率以及最大限度地提高效率，設計人員必須讓放大器工作在非線(xiàn)性區域，然后使用某種反饋電路對非線(xiàn)性效應進(jìn)行補償，使功放的輸出特性看上去像是一種高功率的線(xiàn)性器件的特性。以前最常用的做法是使用濾波器和其他元器件來(lái)抑制功率放大器的諧波輸出。如果濾波元器件的輸入匹配不能和放大器生成的特定諧波的輸出匹配相匹配的話(huà)，則特定諧波的衰減程度可能會(huì )與預計值偏差極大。這至少也會(huì )導致用戶(hù)耗費大量時(shí)間進(jìn)行追蹤和糾正錯誤?，F在，使用從 X 參數測量中獲得各次諧波的精確的相位和幅度信息，以及 ADS 等仿真工具，設計者便可以在最短的時(shí)間內設計出穩定又精確的系統。

NVNA 非線(xiàn)性測量需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的三步校準：1) 使用 8 項誤差模型進(jìn)行 SLOT 或 TRL 型校準;2) 使用功率計/傳感器進(jìn)行接收機功率測試校準;3) 使用安捷倫新型梳狀波發(fā)生器進(jìn)行接收機相位校準。2 端口測量需要使用五個(gè)接收機：a1、a2、b1、b2、R。和 S 參數不同，非線(xiàn)性特性表征測量只進(jìn)行正向掃描，并且必須在每個(gè)頻點(diǎn)上所有的測試接收機同時(shí)進(jìn)行測量。而 S 參數測量是在正向掃描上測量一半參數，在反向掃描上測量另一半參數，并且每個(gè) S 參數均是所有反射波、透射波或參數的一個(gè)函數。非線(xiàn)性特性表征測量可以一次收集所有的入射波、反射波和透射波，并且包括了非比值的、經(jīng)過(guò)功率校準的接收機的測量結果和多諧波相位基準，以消除系統誤差項。在 X 參數測量中，用一定頻率和相位的大信號和小信號同時(shí)激勵被測器件，然后在這些條件下測量散射波的幅度和相位，從而識別 X 參數。

NVNA 非線(xiàn)性測量能夠提供完全的匹配校正、精確的幅度信息以及相關(guān)頻率的相位信息，為非線(xiàn)性元器件特性的精確測量和深入分析創(chuàng )立了一個(gè)嶄新的標準。