讓RF儀器發(fā)揮最大功效的解決方案

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(hào)無法達(dá)到一定質(zhì)量，這些儀器也無法發(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(wěn)定的 RF 測量操作

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

先了解術(shù)語

諸如”精確度”、”可重復(fù)性”、”分辨率”，與”不確定性”的術(shù)語，都經(jīng)常在 RF 應(yīng)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，還有其正確的對應(yīng)文字。

相對于模擬量表而言，當(dāng)要在模擬量表上分辨正確讀數(shù)時(shí)，儀器的數(shù)字顯示方式絕對要簡單許多。然而，如果數(shù)字顯示器呈現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)后 3 位的數(shù)值，則使用者也無法了解儀器或測量操作的分辨率與精確性。

即便可顯示數(shù)千個(gè) dB 的功率，或到小數(shù)單位的 Hertz 頻率，也不代表該儀器就能測量數(shù)分鐘之內(nèi)的變化，所顯示的位數(shù)應(yīng)要能超過儀器的測量功能所及。為了完整了解 RF 儀器的功能，應(yīng)隨時(shí)參閱規(guī)格說明或數(shù)據(jù)，正確的術(shù)語定義，將可減少使用者對測量的疑慮。接著列出常見的幾個(gè)關(guān)鍵術(shù)語：

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

˙可重復(fù)性(Repeatability)──在相同條件與結(jié)果之下，可重復(fù)進(jìn)行的測量次數(shù)；

˙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(nèi)所能測得的參數(shù)實(shí)際/絕對值。

如果能預(yù)估錯(cuò)誤信息來源，往往就能決定測量操作的不確定性。除了上面提到的術(shù)語之外，也可以到 National Institute Standards and Technology (NIST) 或其它標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，找到相關(guān)規(guī)格說明文檔?？勺粉櫺?(Traceability) 則可確保所有測量儀器均是以常見標(biāo)準(zhǔn)所定義。

而”規(guī)格 (Specification)”則是由測試設(shè)備的保證效能，并可由 NIST 追蹤相關(guān)校準(zhǔn)認(rèn)證。”典型、常見 (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)過此項(xiàng)測量。

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

“5%”可代表”±5%”，也可為”+3%”或”-2%”；舉例來說，精確度的正確表示方式應(yīng)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，就能更熟悉其意義。如果要與別人精確溝通測量操作，則應(yīng)該先了解相關(guān)結(jié)果。

了解自己的受測設(shè)備

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

在主動(dòng)式設(shè)備中，多余的功率可能造成設(shè)備發(fā)熱；以高功率的放大器為例，DUT 本身可達(dá)穩(wěn)定的溫度，但后續(xù)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(xiàn)象。這時(shí)就可能要找出由放大器所產(chǎn)生的不定信號(hào)，如諧波。

電源供應(yīng)線可能產(chǎn)生環(huán)境噪聲，并直接影響輸出；而當(dāng)放大器處于壓縮狀態(tài)時(shí)，若測量其線性參數(shù) (增益與相位) 也將無法得到相關(guān)結(jié)果。因?yàn)樗幸蛩鼐鶎⒂绊?RF 測量操作的精確度，在測量設(shè)備之前，先行了解 DUT、操作方式，與其對 RF 測量參數(shù)的影響，才能獲得有意義的結(jié)果。

找出不確定性的范圍

若要比對 RF 測試設(shè)備的規(guī)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(guī)格時(shí)，更加擴(kuò)大不確定性的范圍。接著各個(gè)測量步驟均可能發(fā)生錯(cuò)誤，進(jìn)而影響整體結(jié)果。當(dāng)進(jìn)行錯(cuò)誤測量時(shí)，應(yīng)先找出測量操作的可能錯(cuò)誤，再找出可能影響的 DUT。

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

˙RF 切換的可重復(fù)性、老化程度，與功率承載；

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

˙電路板線路的阻抗質(zhì)量、適配卡插槽，與電路板的傳輸開關(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(qiáng)度。

并未正式納入考慮的還有冷卻、諧波、混附信號(hào)(Spur)，與其它非線性動(dòng)作，均可能影響測量操作?？刹殚喺w設(shè)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(shù)據(jù)。另應(yīng)找出錯(cuò)誤來源，以了解其對精確度、可重復(fù)性與不確定性的影響，如此將可得到更精準(zhǔn)的測量結(jié)果，并可高效率決定預(yù)算與資源。

注意所有組件與連結(jié)

產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)、測試，直到上市的成本，都是巨額的投資。公司的能否延續(xù)，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(shè)備來說，由于必須能滿足甚或超過目前市場所需的重要規(guī)格，因此其可能投入的資金更是難以估計(jì)。除了必須具備競爭優(yōu)勢之外，也可能影響公司的后續(xù)營收。

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

對絕大部分的標(biāo)準(zhǔn)而言，最好是能達(dá)到 1：1.5 的電壓駐波比(VSWR)，但匹配(Match)的強(qiáng)度也可能影響錯(cuò)誤的為匹配的不確定性達(dá) +/-0.35dB (約略值)。當(dāng)造成過多的不確定性時(shí)，就不可能達(dá)到 0.2 dB 的關(guān)鍵規(guī)格。

其它受到忽略的項(xiàng)目 (如連接線、切換器、衰減器、插槽、轉(zhuǎn)接器，與配件) 也能影響整體的測量結(jié)果。如果要開始測量操作，應(yīng)先達(dá)到所需的精確度，接著選擇合適的組件。依目前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，測量系統(tǒng)的效能最好達(dá)到 DUT 受測參數(shù)的 10 倍之譜。

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

此外應(yīng)定期使用扳手與線路量表進(jìn)行調(diào)整，即可盡量避免熱切換(Hot-switching)；并請注意，應(yīng)適時(shí)靜電放電 (Electro-static discharge，ESD)。即便于測試系統(tǒng)與 DUT 之間使用最高質(zhì)量的組件，若連接的零件過多，也可能造成測量錯(cuò)誤。

為測量操作選用正確的工具

根據(jù)所要測量的參數(shù)與所需的精確度，其測量 DUT 的 RF 設(shè)備也有所不同。能投資設(shè)備當(dāng)然最好，但如果僅能發(fā)揮設(shè)備某部分的效能，就形成預(yù)算浪費(fèi)。如果僅需測量 RF 功率，則 RF 功率計(jì)當(dāng)然優(yōu)于矢量信號(hào)分析儀 (VSA)。

標(biāo)量(Scalar)儀器僅能測量強(qiáng)度 (振幅)，而矢量儀器則可測量強(qiáng)度與相位。就算測量操作不需相位值，則由于矢量儀器的相位信息可找出系統(tǒng)中的無用反射并將之量化，因此也可用以修正錯(cuò)誤。

在購買 RF 設(shè)備時(shí)，價(jià)格往往并不等同于功能。高質(zhì)量的掃頻調(diào)協(xié)頻譜分析儀(Swept-tuned spectrum analyzer)，往往就能占去大部分的預(yù)算；就該款儀器原始的測量功能而言，雖然已可達(dá) ± 1 dB 或較差的精確度并可用于一般測量，但卻無法滿足絕對 RF 功率的測量需要。同樣的，若使用中的儀器可達(dá) -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；若購買的設(shè)備效能超出所需的測量精確度太多，就浪費(fèi)了成本與資源，而且可能排擠到其它部分的預(yù)算分配。在某些情況下，連接線與切換器甚至更有助于提升測量質(zhì)量。

開發(fā)測量程序

一旦建構(gòu)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(tuán)隊(duì)的溝通，接著就能讓 RF 測量結(jié)果達(dá)到更好的可重復(fù)性與一致性。舉例來說，測量程序的常見問題之一就是：”應(yīng)多久校準(zhǔn) 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(zhǔn)設(shè)備；高精確度的測量需求也常常影響了校準(zhǔn)頻率。不論哪種情況，均應(yīng)了解 RF 設(shè)備的校準(zhǔn)需求，并將之列入測量程序中。

從設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、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程所應(yīng)測試并檢驗(yàn)的操作參數(shù)，而可能影響精確度、可重復(fù)性，與不確定性的前/后 1 項(xiàng)程序 (如重新操作、焊接、組裝，與絕緣)，均應(yīng)納入考慮。

若要建構(gòu)良好的 RF 實(shí)作，也應(yīng)考慮相關(guān)程序。也可連帶簡化學(xué)習(xí)與標(biāo)準(zhǔn)化的過程。而后續(xù)從建構(gòu)程序直到產(chǎn)品使用壽命，”一致性”也將影響 RF 參數(shù)與測量結(jié)果。

提高 RF 測量操作的質(zhì)量

要進(jìn)行 RF 測量操作很簡單，但要能準(zhǔn)確測量就有些許難度。若能建構(gòu)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(yīng)不斷設(shè)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(shè)備的效能，此篇技術(shù)文章所提及的步驟均屬于基礎(chǔ)概念而已。