利用50W實(shí)驗設備測定75W電路的S參數

經(jīng)常接觸有線(xiàn)、地面或者衛星電視應用的射頻工程師往往需要對這些應用電路做S參數測試。有經(jīng)驗的工程師在首次測量時(shí)，會(huì )驗證電視調諧器是否產(chǎn)生他們預期的回波損耗，如果一致，則問(wèn)題就簡(jiǎn)化為：如何用一個(gè)50W矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量75W被測器件的S參數。如果資金充裕，解決辦法就是購進(jìn)一種專(zhuān)門(mén)用于測試75W電路的實(shí)驗儀器(具有75W源和負載阻抗測試端口)。否則使用最小損耗焊盤(pán)將輸入和輸出阻抗從50W轉換到75W，這種方法簡(jiǎn)單易行，并且能夠得到合理的測量結果。
當IC生產(chǎn)廠(chǎng)商需要測定一個(gè)用于有線(xiàn)電視的低噪聲放大器的輸入回波損耗時(shí)，所有測量結果必須以75W為標準。也就是說(shuō)，如果輸入回波損耗|S11|=-30dB(反射功率是總功率的千分之一，基本上屬于理想匹配)，被75W源阻抗驅動(dòng)時(shí)，理想情況下，被測器件基本上把所有功率傳遞到低噪聲放大器中。

圖1  用于匹配75W被測器件和50W測試端口的最小損耗焊盤(pán)。低頻插入損耗5.72dB。頻率響應函數的平坦度上限由網(wǎng)絡(luò )的配置質(zhì)量決定。

當由50W信號源驅動(dòng)時(shí),如典型的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀、信號發(fā)生器和噪聲系數表等，相同的調諧器輸入將不再提供良好的回波損耗特性。直接將這個(gè)完全匹配的電視調諧器的輸入與一個(gè)50W矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀相連，會(huì )產(chǎn)生-14dB的輸入回波損耗，即反射功率將為總功率的1/25。因此,用這個(gè)相同的50W矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀驗證電視調諧器輸入是否正常時(shí)，需要采取某些措施。在這種情況下，相應的匹配電路是必須的。匹配電路必須具有平坦的頻率響應曲線(xiàn)和盡可能低的插入損耗。業(yè)界廣泛認可的方案是：使用最小損耗焊盤(pán)(簡(jiǎn)稱(chēng)MLP)，圖1是最簡(jiǎn)單的純電阻網(wǎng)絡(luò )。此網(wǎng)絡(luò )最明顯的特征是能將輸入和輸出阻抗從75W轉換到50W，或者從50W轉換到75W。這樣可以消除反射，使響應特性變得平坦，并且網(wǎng)絡(luò )的損耗能夠非常簡(jiǎn)單地從測試儀器標定到被測器件。很多測試設備生產(chǎn)廠(chǎng)商可以提供此類(lèi)最小損耗焊盤(pán)，并且網(wǎng)絡(luò )易于建立。
從ZLOAD到ZLOAD' 轉換的數學(xué)推導公式參見(jiàn)附錄。所得出的ZLOAD'表達式說(shuō)明了測試端口(RSOURCE)的等效MLP和DUT的級聯(lián)阻抗。將公式變形，并用ZLOAD'解出ZLOAD，采取這種方法可以反映出MLP的影響，并且能夠從測試數據中測定真實(shí)的ZLOAD值，其結果為：

相應的驗算過(guò)程也是必要的。例如,通過(guò)MLP對一個(gè)75W電阻做阻抗測量，并假定網(wǎng)絡(luò )矢量分析儀測定RLOAD'=50W (回波損耗無(wú)窮大)。假定RLOAD'=50W，得出R1=43.3W，R2=86.6W，如預期那樣得到 ZLOAD=75W。

圖2  用50W VNA測試MAX3558有線(xiàn)/地面廣播系統的低噪聲放大器(兩個(gè)MLP作阻抗轉換)

如果將實(shí)部和虛部分開(kāi)并且利用已得出的數據表來(lái)計算。通常對75W被測器件的測試將不僅局限于阻抗測試，回波損耗、增益、反向隔離、噪聲系數和IIP3輸入三階截點(diǎn)測試也十分常見(jiàn)。在這種情況下，就有必要對MLP做一些總體的說(shuō)明。
1. 只要RLOAD 接近75W，那么由于MLP的不匹配而產(chǎn)生的額外的駐波比將是最小的?？梢院雎杂捎诓黄ヅ洚a(chǎn)生的測量誤差。
2. 相反，如果RLOAD 值與75W相差甚遠，那么MLP就不能進(jìn)行適當的阻抗轉換。這將會(huì )在測量端口和MLP以及MLP與被測器件之間產(chǎn)生額外的駐波比，從而導致額外的測量誤差。
3.在指定的頻率范圍之外，MLP可以被看作純電阻。它提供了5.7dB的插入損耗，再加上由于連接器和連接線(xiàn)而產(chǎn)生的附加損耗。
4. S11或者S22測量輸出和返回路徑的損耗，傳輸損耗通過(guò)S21或S12測量。是插入損耗的兩倍(至少11.4dB)，這降低了矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的有效靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
假定測量一個(gè)有線(xiàn)/地面廣播電視用低噪聲放大器的S21，如Maxim公司的 MAX3558 四路低噪聲放大器。將被測器件插入檢測裝置，輸入和輸出均有MLP，如圖2所示。然后校準矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀,不包括MLP. 將端口1和一個(gè)MLP的50W端口相連，而將75W端口與LNA的輸入相連。相同的情況也適用于另一個(gè)輸出和VNA的端口2。
測量S21(前饋增益)時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀在500MHz頻率處會(huì )指示一個(gè)接近-5dB的增益。來(lái)自?xún)蓚€(gè) MLP及其連接器/適配器的插入損耗為11.5或12.0dB，LNA提供給75W的功率增益是7dB。
S12(反向隔離)的測量就沒(méi)有那么直觀(guān)。這些低噪聲放大器的隔離參數是65dB，考慮到兩個(gè)MLP帶來(lái)的額外損耗，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀本身需有77dB的S12。如果不仔細的話(huà)，會(huì )由于矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀接收端的功率太小而導致無(wú)法精確測量。所以，接收端的功率(端口1的功率)要比矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的噪聲/內部隔離至少高10dB，如果沒(méi)有隔離校準，大概是-100dBm。因此需要設定源端口的功率至少是-20dBm，其最佳值是-10dBm或0dBm。當端口1有足夠的接收功率時(shí)，就可以進(jìn)行測量: 在測量值上增加12dB表示插入損耗。也就是說(shuō)，-77dB的測量值在被測器件看來(lái)變成了-65dB。
MAX3558評估板上提供有焊盤(pán)，允許工程師在PCB上插入他們自已想要的最小損耗焊盤(pán)。值得注意的是，必須用50W SMA接頭或類(lèi)似產(chǎn)品替代75W F型連接器。
在頻率為幾百兆赫茲時(shí)，由0402電阻建立起來(lái)的PCB板上MLP會(huì )產(chǎn)生測量的準確性問(wèn)題。寄生效應會(huì )破壞先前的假設條件，也即這個(gè)網(wǎng)絡(luò )是純電阻網(wǎng)絡(luò )，類(lèi)似的情況就需要用更復雜的方法。其中一種方法是完全測定MLP的特性，并且用Smith圓圖精確標定匹配電路帶來(lái)的影響。另一種解決辦法是使用由電感組成的轉換器進(jìn)行阻抗變換，這樣能減少損耗。射頻轉換器通常由它們的阻抗轉換率來(lái)表示，而不是轉換比率，所以經(jīng)常會(huì )有"1.5:1"出現。
對頻率小于1GHz實(shí)驗系統來(lái)說(shuō)，由1% 0402或類(lèi)似電阻組成的PCB板上MLP提供了一種快速、簡(jiǎn)便測試75W電路的方法。通常,唯一需要更正的參數是MLP的插入損耗，即5.7dB加上其它額外的連接器件的損耗。在做基本的S參數測量時(shí)并不需要復雜的計算或Smith圓圖。當需要較高的測量精度或更高的頻率范圍時(shí)，高質(zhì)量的MLP通?？梢詮膶?shí)驗設備生產(chǎn)廠(chǎng)商獲得?！?(俊峰譯)