高級回復:矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀PNA-X超越S參數測試
對于基本的S參數和壓縮測試,信號源和接收器調諧到相同的頻率。不過(guò),通過(guò)使信號源和接收機頻率偏移,將接收機調諧至激勵頻率的整數倍,也能測出放大器的諧波性能。使信號源和接收機頻率偏移的能力同樣可以測量頻率轉換器件(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波進(jìn)行激勵(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頻率進(jìn)行選通。
傳統VNA有兩個(gè)測試端口,這在大多數射頻器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口時(shí)可滿(mǎn)足需要。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的快速增長(cháng),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(huì )被普遍使用。
簡(jiǎn)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VNA結構相比有四大改進(jìn):
* 兩個(gè)信號源:第二個(gè)內部信號源與第一個(gè)信號源的頻率和功率電平設置是相互獨立的。第二個(gè)信號源可用于非線(xiàn)性放大器測試如互調失真(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(jiǎn)化了需要兩個(gè)信號源的放大器測試設置。
* 信號切換和接入點(diǎn):輔助開(kāi)關(guān)和射頻接入點(diǎn)能實(shí)現靈活的信號路徑選擇,并增加外部信號調理得硬件(如推動(dòng)放大器)或外部測試設備(如數字信號發(fā)生器或矢量信號分析儀)。
* 脈沖測試能力:內部脈沖調制器和脈沖發(fā)生器提供完全一體化的脈沖S參數解決方案。
這些改進(jìn)簡(jiǎn)化了測試設置過(guò)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合在一起極大地擴大了對被測器件(DUT)進(jìn)行一次連接可以實(shí)現的測量范圍。 圖2示出一個(gè)對放大器的S參數、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、壓縮和IMD進(jìn)行同時(shí)測量的PNA-X實(shí)例。
兩個(gè)內置信號源的性能增強也會(huì )簡(jiǎn)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+20 dBm(取決于型號和頻率)。這對將放大器驅動(dòng)到非線(xiàn)性區很有幫助,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)內置信號源的諧波成分也非常低(通常為–60 dBc 或更低),從而提高諧波和IMD測量的精度。此外,典型置為40 dB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(xiàn)性工作范圍轉化到非線(xiàn)性工作范圍。
解決各種測量問(wèn)題
雖然VNA只需一個(gè)射頻源就可以測量元件的S參數、壓縮和諧波,但增加第二內部信號源則可以對更為復雜的非線(xiàn)性特性,如IMD,進(jìn)行測量,特別是當這兩個(gè)源與網(wǎng)絡(luò )儀內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如何使用內部信號源和合路器來(lái)完成此過(guò)程。
AUT的非線(xiàn)性會(huì )引起與被放大的輸入信號一道出現的互調分量。在通信系統中,這些多余的分量將進(jìn)入工作頻帶且不能通過(guò)濾波去除。實(shí)踐中,只測三階分量,因為它們是造成系統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(xiàn)顯示激勵信號,下方兩條跡線(xiàn)顯示IMD分量。最上方的跡線(xiàn)則是利用了PNA-X特別有優(yōu)勢的公式編輯特征計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。
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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(xiàn)性行為模型。在圖5顯示的測量結果中,您可以看到基頻信號以及三階、五階和七階互調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進(jìn)行測量:S參數、增益壓縮、輸出諧波、IMD等等。其次,與使用頻譜分析儀相比,用功率計對VNA進(jìn)行校準之后,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。
相位與驅動(dòng)的關(guān)系是用PNA-X很容易完成的另一種常見(jiàn)的雙信號源測試。這個(gè)測試參數表征的是當在相鄰通道或帶外存在大信號時(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(xiàn)性行為模型時(shí)會(huì )用到的參數是“熱態(tài)S參數”(準確地說(shuō)是“放大器工作狀態(tài)下的S參數-譯者注)”,這種測試方法用來(lái)表征在某一給定頻率下,當存在一個(gè)比較大的偏離于S參數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為這個(gè)大信號的存在而產(chǎn)生壓縮時(shí),放大器小信號S參數的特性。在進(jìn)行熱態(tài)S參數測試時(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,可以測量差模響應和共模響應以及模式變換項。
這些測試可以用單端激勵或真實(shí)模式激勵來(lái)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)并對差模響應和共模響應以及交叉模式特性進(jìn)行數學(xué)計算。這是最快且精確的技術(shù),條件是外加功率電平應使AUT保持在線(xiàn)性或適度壓縮的工作區。
在高驅動(dòng)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(xiàn)性特性會(huì )引測量結果的嚴重誤差,這就需要真實(shí)(差分或平衡)模式激勵。這種方法將兩個(gè)幅度相同的信號以180
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