基于PNA-X NVNA網(wǎng)絡(luò)分析儀的非線性測(cè)量

隨著 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(dāng)中。功率放大器以及相應(yīng)的功能部件是無(wú)線通信設(shè)備中最為關(guān)鍵的部件。從設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生到設(shè)計(jì)的仿真，再到具體電路的實(shí)現(xiàn)和再次的從仿真到實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證，給廣大研發(fā)人員提出了巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，盡快把產(chǎn)品推向市場(chǎng)，取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(jìng)爭(zhēng)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(shè)計(jì)中最頭痛的問(wèn)題。在這個(gè)充滿機(jī)遇與挑戰(zhàn)的歷史時(shí)期，安捷倫科技推出了創(chuàng)新測(cè)試工具——高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X N5242A，它是非線性網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)試儀。

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

非線性元器件特性表征測(cè)量可提供被測(cè)件的入射波、反射波和透射波經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和矢量校正后的波形，并可測(cè)量和顯示所有的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻譜。因此我們現(xiàn)在可以觀察失真信號(hào)的幅度和相位信息，接下來(lái)我們還可以觀看任意指定頻率的信號(hào)相對(duì)相位和絕對(duì)幅度。根據(jù)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(shè)計(jì)出相應(yīng)的匹配電路以消除器件的非線性效應(yīng)，例如三次諧波造成的影響等。這些數(shù)據(jù)可以顯示在頻率域、時(shí)間域或功率域中，或可以用戶定義的方式來(lái)顯示，例如顯示動(dòng)態(tài)負(fù)載線的 I/V 曲線。NVNA 這種在不同域中顯示同一數(shù)據(jù)的能力可使設(shè)計(jì)人員非常清楚地了解和分析非線性元器件的特性。如果在時(shí)域中看到被測(cè)件的輸出信號(hào)出現(xiàn)失真的話，便可以把同樣的測(cè)試結(jié)果切換至頻域，以觀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)觀察在某個(gè)指定基本頻率的給定的功率電平上失真信號(hào)的各個(gè)頻譜分量的幅度和相位對(duì)基頻功率變化的靈敏度和受影響的程度。非線性元器件特性表征測(cè)量的另一實(shí)例是信號(hào)通過(guò)倍頻器時(shí)的群延遲測(cè)量。NVNA 可測(cè)量輸入激勵(lì)和輸出信號(hào)相對(duì)于一個(gè)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的相位參考信號(hào)的相位以及幅度。因此，設(shè)計(jì)人員能夠相對(duì)輕松地完成倍頻器的群延遲測(cè)量。NANA 另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是用戶可將所有通過(guò)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到用戶自己選擇的設(shè)計(jì)模型中。

X 參數(shù)法是以非線性元器件特性表征的測(cè)量體系結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)，將 S 參數(shù)以在數(shù)學(xué)上和邏輯上都正確的方法擴(kuò)展至非線性大信號(hào)工作環(huán)境中。在 X 參數(shù)測(cè)量中還需要另外一個(gè)信號(hào)源，這樣就能同時(shí)用大信號(hào)和小信號(hào)來(lái)激勵(lì)被測(cè)器件。在測(cè)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(hào)的相位和幅度。利用測(cè)量獲得的信息，便可提取出 X 參數(shù)。X 參數(shù)能夠提供元器件在線性或非線性狀態(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(shù)一樣被顯示出來(lái)。由于 X 參數(shù)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(shù)的信息量將會(huì)比 S 參數(shù)要多得多。例如，基波頻率的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的三次諧波之比(即基波對(duì)應(yīng)于三次諧波的增益)顯示為 X 參數(shù)時(shí)就是 X21,13。此外，X 參數(shù)與元器件的大信號(hào)工作狀態(tài)有明顯的關(guān)系，因此輸入功率現(xiàn)在成了一個(gè)變量，這一點(diǎn)是和通常設(shè)定與功率無(wú)關(guān)的 S 參數(shù)是不同的。X 參數(shù)最大的優(yōu)勢(shì)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(duì)各個(gè)元器件中的 X 參數(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而設(shè)計(jì)和仿真更復(fù)雜的器件、模塊和系統(tǒng)。X 參數(shù)可以從測(cè)量結(jié)果中把最重要的項(xiàng)目分離出來(lái)，從而能使用戶對(duì)非線性成分的匹配情況加以適當(dāng)?shù)目紤]，精確地實(shí)現(xiàn)非線性的設(shè)計(jì)和仿真。

X 參數(shù)之于非線性測(cè)量就如同 S 參數(shù)之于線性測(cè)量。S 參數(shù)是為了對(duì)射頻元器件的線性特性進(jìn)行分析和建模而開(kāi)發(fā)的一種方法。在把多個(gè)獨(dú)立的器件級(jí)聯(lián)起來(lái)做成一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，S 參數(shù)在分析、建模和設(shè)計(jì)的過(guò)程中也起著重要的作用。它們與很多種工程師所熟悉的測(cè)量結(jié)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(shù)也都可以輕松地導(dǎo)入 ADS 之類的電子仿真工具中。盡管 S 參數(shù)用途廣泛且功能非常強(qiáng)大，但它們也有其局限性，即只能用于小信號(hào)和線性系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀是測(cè)量 S 參數(shù)的，在非常有限的程度上也可以使用某些近似方法來(lái)分析元器件的非線性特性。例如可以把測(cè)試接收機(jī)的測(cè)試頻率調(diào)諧到偏離于激勵(lì)信號(hào)頻率的某個(gè)值，使測(cè)試接收機(jī)進(jìn)行與通常測(cè)試 S 參數(shù)時(shí)所需要的比值測(cè)試不同的非比值測(cè)試，增益壓縮、諧波的幅度、頻率轉(zhuǎn)換器的匹配、變頻損耗/增益和群延遲等指標(biāo)就是用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析儀(或小信號(hào) S 參數(shù)分析儀)進(jìn)行非線性特性測(cè)試的指標(biāo)。開(kāi)發(fā) X 參數(shù)測(cè)試是為了以一種更穩(wěn)定和更全面的形式來(lái)表征和分析射頻元器件的非線性特性。這些參數(shù)是 S 參數(shù)在大信號(hào)工作條件下的一個(gè)擴(kuò)展。這意味著要先把元器件驅(qū)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(duì)器件進(jìn)行測(cè)試。同樣，人們無(wú)需了解被測(cè)件的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，它只是電壓波形的一個(gè)激勵(lì)響應(yīng)模型。關(guān)鍵在于基波和所有有關(guān)諧波的絕對(duì)幅度和相關(guān)頻率的相位信息都可以使用 X 參數(shù)來(lái)精確地進(jìn)行測(cè)量和表征。

X 參數(shù)信息的價(jià)值可以在設(shè)計(jì)功率放大器的過(guò)程中體現(xiàn)。為了獲得最大輸出功率以及最大限度地提高效率，設(shè)計(jì)人員必須讓放大器工作在非線性區(qū)域，然后使用某種反饋電路對(duì)非線性效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，使功放的輸出特性看上去像是一種高功率的線性器件的特性。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，則特定諧波的衰減程度可能會(huì)與預(yù)計(jì)值偏差極大。這至少也會(huì)導(dǎo)致用戶耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行追蹤和糾正錯(cuò)誤?，F(xiàn)在，使用從 X 參數(shù)測(cè)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(shè)計(jì)者便可以在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出穩(wěn)定又精確的系統(tǒng)。

NVNA 非線性測(cè)量需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的三步校準(zhǔn)：1) 使用 8 項(xiàng)誤差模型進(jìn)行 SLOT 或 TRL 型校準(zhǔn);2) 使用功率計(jì)/傳感器進(jìn)行接收機(jī)功率測(cè)試校準(zhǔn);3) 使用安捷倫新型梳狀波發(fā)生器進(jìn)行接收機(jī)相位校準(zhǔn)。2 端口測(cè)量需要使用五個(gè)接收機(jī)：a1、a2、b1、b2、R。和 S 參數(shù)不同，非線性特性表征測(cè)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(cè)試接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。而 S 參數(shù)測(cè)量是在正向掃描上測(cè)量一半?yún)?shù)，在反向掃描上測(cè)量另一半?yún)?shù)，并且每個(gè) S 參數(shù)均是所有反射波、透射波或參數(shù)的一個(gè)函數(shù)。非線性特性表征測(cè)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(zhǔn)的接收機(jī)的測(cè)量結(jié)果和多諧波相位基準(zhǔn)，以消除系統(tǒng)誤差項(xiàng)。在 X 參數(shù)測(cè)量中，用一定頻率和相位的大信號(hào)和小信號(hào)同時(shí)激勵(lì)被測(cè)器件，然后在這些條件下測(cè)量散射波的幅度和相位，從而識(shí)別 X 參數(shù)。

NVNA 非線性測(cè)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，為非線性元器件特性的精確測(cè)量和深入分析創(chuàng)立了一個(gè)嶄新的標(biāo)準(zhǔn)。