平衡VNA測試的技巧分析

傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA(vector network analyzer)在測量平衡/差分器件時(shí)，通常采用所謂的“虛擬”方法：網(wǎng)絡(luò)分析儀用單邊(single-ended)信號(hào)激勵(lì)被測件，測出其不平衡(unbalanced)參數(shù)，然后網(wǎng)絡(luò)分析儀通過數(shù)學(xué)計(jì)算，把不平衡參數(shù)轉(zhuǎn)換成平衡參數(shù)。該方法對(duì)于分析小信號(hào)(線性)狀態(tài)下的有源/無源器件已經(jīng)夠用。但是當(dāng)器件處于大信號(hào)(非線性)工作狀態(tài)時(shí)，該方法測試結(jié)果的精度就受限了。盡管人們想出了很多方法克服這個(gè)問題：例如采用“理想的”寬帶功分器或耦合器，但是這些方法都無法進(jìn)行全系統(tǒng)校準(zhǔn)。幸運(yùn)的是羅德與施瓦茨公司(Rohde & Schwarz)的多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA和ZVT，通過添加新的選件，就可以實(shí)現(xiàn)精確的寬帶差分器件測量，并且操作方便。

R&S ZVx-K6選件是一種概念全新的技術(shù)，并且獲得了多項(xiàng)專利。該公司已經(jīng)在多種有源器件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法得出的增益壓縮點(diǎn)結(jié)果和“虛擬”方法相比，確實(shí)有一定差距。圖1就是一個(gè)典型的例子，這個(gè)實(shí)驗(yàn)采用R&S ZVA40網(wǎng)絡(luò)分析儀，在兩種模式下分別測試一個(gè)2GHz的微波單片集成MMIC(monolithic-microwave-integrated-circuit)放大器。可以看出，在小信號(hào)(線性)的情況下，兩種方法的測量結(jié)果一樣，但是在放大器處于壓縮狀態(tài)(大信號(hào))的情況下，兩種方法的測量結(jié)果有明顯差異。采用真差分激勵(lì)測得的增益，比采用虛擬方法的結(jié)果提前4dB出現(xiàn)壓縮，并且最大增益的測量結(jié)果也要低0.5dB。

這種新技術(shù)的改進(jìn)(優(yōu)點(diǎn))有如下三方面：

1. 目前差分放大器在手機(jī)、智能電話、數(shù)據(jù)卡和其他移動(dòng)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。但是這些器件目前大多采用虛擬方法來測試(由于以前還沒有真差分測試技術(shù))。也就意味著目前測得的器件特性并不正確。

2. 如果器件實(shí)際出現(xiàn)壓縮的功率，比廠商標(biāo)注的要低(因?yàn)閺S商目前都用虛擬方法測試)，也就意味著現(xiàn)在的很多放大器都處于壓縮(過載)狀態(tài)下工作，其實(shí)際互調(diào)產(chǎn)物要比設(shè)計(jì)值高很多。

3. 采用虛擬方法設(shè)計(jì)生產(chǎn)手機(jī)的廠商，目前必須“功率回退”技術(shù)，才能達(dá)到理想的線性功率性能。

然而采用“功率回退”技術(shù)意味著需要更多(或輸出功率更高)的有源器件，才能達(dá)到指定的輸出功率，可能需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)發(fā)射機(jī)部分。

當(dāng)然，如果能更精確的測試出平衡器件的特性，器件、系統(tǒng)廠商就可以在產(chǎn)品出廠之前(而不是在使用中出現(xiàn)問題之后)，設(shè)計(jì)出理想的性能和工作條件。

用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀測量差分(平衡)器件時(shí)，儀器只能產(chǎn)生單端激勵(lì)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，把測得的單端S參數(shù)轉(zhuǎn)化為差分S參數(shù)。儀器并沒有用差分信號(hào)去激勵(lì)被測件，而是把它當(dāng)成一個(gè)單端器件來測量的。然后使用測得的單端S參數(shù)，計(jì)算出混合模S參數(shù)。由于沒有使用真實(shí)的差分信號(hào)去激勵(lì)被測件，這種虛擬方法的精度難以保證。這種方法的精度在小信號(hào)(線性)狀態(tài)下尚可，但是在大信號(hào)(非線性)狀態(tài)下，難以保證。

當(dāng)有源器件處于大信號(hào)激勵(lì)下，其非線性特性逐步顯露(通常用1dB或3dB壓縮點(diǎn)來衡量)，這時(shí)采用傳統(tǒng)虛擬方法測量有源器件，就很難得到理想的結(jié)果。例如用虛擬法測得某個(gè)放大器的1dB壓縮點(diǎn)比實(shí)際值偏高，如果用這個(gè)參數(shù)去指導(dǎo)設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)出的放大器就可能會(huì)于過載狀態(tài)，從而產(chǎn)生很多非線性產(chǎn)物。然而，以前網(wǎng)絡(luò)分析儀只能提供虛擬方法，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀控制其輸出的兩路信號(hào)源的幅度和相位的技術(shù)極其復(fù)雜。

羅德與施瓦茨公司開發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出真正差分信號(hào)，用來激勵(lì)射頻微波平衡器件，其最高頻率高達(dá)40GHz。該方法基于專利控制的技術(shù)，控制兩路內(nèi)部源的幅度和相位，以及專利的差分矢量校準(zhǔn)技術(shù)。R&S ZVA(2、3、4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀)或該公司的ZVT(多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀)內(nèi)部的兩路源可以產(chǎn)生幅度相同，相位差為0度或180度的信號(hào)，其相位差的不確定度小于1度。用這組差分信號(hào)激勵(lì)被測件，可以直接測出差?；蚬材ｍ憫?yīng)，經(jīng)過矢量修正，直接得出混合模S參數(shù)。

傳統(tǒng)的虛擬方法工作原理如下：在每一個(gè)頻點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口輸出一個(gè)單端激勵(lì)，在2、3、4端口測量傳輸分量，在1端口測量反射分量，然后分別再用2、3、4端口輸出單端激勵(lì)信號(hào)，重復(fù)上述測試?？梢缘贸?6個(gè)單端S參數(shù)(S11到S44)，再用這16個(gè)參數(shù)計(jì)算出混合模S參數(shù)Sxxyy。但是對(duì)于非線性器件，儀器的1端口和2端口不能輸出激勵(lì)信號(hào)，因此不能再現(xiàn)被測件在實(shí)際工作狀態(tài)下的性能。

產(chǎn)生真正的差分信號(hào)有很多難題需要克服：首先，要在兩個(gè)內(nèi)部源之間實(shí)現(xiàn)180度相移，還要精確的控制這個(gè)相位差，以保證差分信號(hào)的質(zhì)量。另外，在測量和校準(zhǔn)參考平面，這個(gè)相位差仍然保持有效。而測試使用電纜的損耗、相位以及其他特性都會(huì)變化，這些都給精確的測量帶來很多困難。

儀器的校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的“直通-開路-短路-匹配TOSM”(thru-open-short-match 或稱 SOLT)校準(zhǔn)方法一致。即使測試電纜不對(duì)稱(例如長度不同)或者在片測試，這種校準(zhǔn)方法也適用。該儀器也能產(chǎn)生相位差為0度(同相)的信號(hào)，進(jìn)行共模測試。以前的儀器中，相位隨時(shí)間以及溫度漂移是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，這里內(nèi)部源采用了特殊的算法和控制電路，不斷的檢驗(yàn)并修正內(nèi)部源的相位差，以保證差分信號(hào)嚴(yán)格的幅度相位關(guān)系。

真正差分技術(shù)測量一個(gè)4端口平衡器件的具體工作步驟如下：

網(wǎng)絡(luò)分析儀的1號(hào)邏輯端口(實(shí)際上由兩個(gè)物理端口組成)發(fā)出幅度相同、相位差為180度的差模信號(hào)，加載到被測件上，在2端口測量傳輸分量的差模和共模響應(yīng)，同時(shí)在1端口測量反射分量的差模和共模響應(yīng)；然后儀器的1號(hào)邏輯端口產(chǎn)生幅度相同、相位差為0度的共模信號(hào)，同樣分別測量傳輸和反射信號(hào)的差模/共模響應(yīng)。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的2號(hào)邏輯端口發(fā)出幅度相同、相位差為180度的差模信號(hào)，加載到被測件上，在1端口測量傳輸分量的差模和共模響應(yīng)，同時(shí)在2端口測量反射分量的差模和共模響應(yīng)；然后儀器的2號(hào)邏輯端口產(chǎn)生幅度相同、相位差為0度的共模信號(hào)，同樣分別測量傳輸和反射信號(hào)的差模/共模響應(yīng)。被測件的混合模S參數(shù)可以直接由上述的差模/共模響應(yīng)計(jì)算得到，經(jīng)過系統(tǒng)誤差修正后，直接在儀器屏幕上顯示。完成上述所有測試的掃描時(shí)間僅需300ms。

該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)幅度和相位不平衡掃描(以模擬非理想狀態(tài))。對(duì)于幅度不平衡掃描，這時(shí)兩路信號(hào)的幅度不再相等，其中的一路可以在用戶設(shè)定的范圍內(nèi)功率掃描。類似的，對(duì)于相位不平衡掃描，兩路信號(hào)的相位差不再保持180度，而是在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)變化。這兩種掃描方式都是為了模擬非理想工作狀態(tài)，為設(shè)計(jì)者提供更多的參考信息。

用戶可以簡單的通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)，在虛擬模式和真差分模式間切換，并且兩種方法的測試結(jié)果可以在同一個(gè)圖形中實(shí)時(shí)顯示。而且兩種方法的校準(zhǔn)技術(shù)相同，用戶無需分別校準(zhǔn)。該儀器還提供一種簡單、直觀的平衡器件測試向?qū)С绦?。真差分測量技術(shù)無需硬件更新，可以在任何4端口ZVA系列，以及任何端口數(shù)大于3的ZVT系列網(wǎng)絡(luò)分析以上使用。