運(yùn)用RF測(cè)量技巧完整發(fā)揮RF設(shè)備性能

進(jìn)行穩(wěn)定的 RF 測(cè)量作業(yè)

在理想狀態(tài)下，應(yīng)可輕松進(jìn)行RF測(cè)量作業(yè)，但實(shí)際上卻有著許多難題；目前既有的 RF 儀器即可滿足主要的 RF 測(cè)量作業(yè)，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”。若能于 RF 測(cè)量作業(yè)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(cè)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，均往往于 RF 應(yīng)用中遭混用或誤用，反而降低了測(cè)量的正確度。在進(jìn)行 RF 測(cè)量作業(yè)之前，必須先了解重要術(shù)語，還有其正確的對(duì)應(yīng)文字。

相較于模擬量表而言，當(dāng)要于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(duì)要簡(jiǎn)單許多。然而，若數(shù)字顯示器呈現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)后 3 位的數(shù)值，則使用者亦無法了解儀器或測(cè)量作業(yè)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，亦不代表該款儀器就能測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)量作業(yè)的疑慮。

接著列出常見的數(shù)個(gè)關(guān)鍵術(shù)語：
˙分辨率 (Resolution)──儀器所能確實(shí)偵測(cè)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(cè)量次數(shù)；
˙不確定性(Uncertainty)──將測(cè)得的未知絕對(duì)值予以量化 ；
˙精確度(Accuracy)──儀器在已知誤差范圍內(nèi)所能測(cè)得的參數(shù)實(shí)際/絕對(duì)值。

若能預(yù)估錯(cuò)誤信息來源，往往就能決定測(cè)量作業(yè)的不確定性。除了上面提到的術(shù)語之外，亦可至 National Institute Standards and Technology (NIST) 或其它標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，找到相關(guān)規(guī)格說明文件?？勺粉櫺?(Traceability) 則可確保所有測(cè)量?jī)x器均是以常見標(biāo)準(zhǔn)所定義。

而“規(guī)格 (Specification) ”則是由測(cè)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(cè)試的效能，但并未納入測(cè)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(cè)量。

精確度為儀器在已知誤差范圍內(nèi)所能測(cè)得的參數(shù)實(shí)際/絕對(duì)值，亦即所謂的 X plus 或 minus Y。若沒有某些誤差限制與單位，則測(cè)量值“34”并無任何意義。同樣的，僅有“5”的誤差規(guī)格亦無任何意義；但“5%”的誤差規(guī)格亦無意義。

“5%”可代表“±5%”，亦可為“+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(cè)量術(shù)語，則可更熟悉其意義。若要能與別人精確溝通測(cè)量作業(yè)，則應(yīng)先了解相關(guān)結(jié)果。

了解自己的受測(cè)裝置

受測(cè)裝置(Device under test，DUT) 可能大幅影響 RF 測(cè)量作業(yè)。舉例來說，溫度就可能影響穩(wěn)定性與可重復(fù)性，許多 RF 裝置與儀器并不會(huì)自行補(bǔ)償溫度變化，因此必須先穩(wěn)定溫度，才能將測(cè)量作業(yè)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)式裝置中，多余的功率可能造成裝置發(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)生的不定訊號(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(cè)量其線性參數(shù) (增益與相位) 亦將無法得到相關(guān)結(jié)果。因?yàn)樗幸蛩鼐鶎⒂绊?RF 測(cè)量作業(yè)的精確度，在測(cè)量裝置之前，先行了解 DUT、作業(yè)方式，與其對(duì) RF 測(cè)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(duì) RF 測(cè)試設(shè)備的規(guī)格與 DUT 的測(cè)量需求，亦略顯不足；若 RF 測(cè)量作業(yè)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(cè)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(cè)量時(shí)，應(yīng)先找出測(cè)量作業(yè)的可能錯(cuò)誤，再找出可能影響的 DUT。

使用者應(yīng)了解儀器的重要操作規(guī)格，還有各個(gè)測(cè)量步驟所牽連的裝置 (包含 DUT 在內(nèi))；而其它相關(guān)規(guī)格則應(yīng)了解配對(duì)、功率、頻率響應(yīng)與噪聲系數(shù)。亦應(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(cè)量作業(yè)的電磁波干擾(EMI)強(qiáng)度。

并未正式納入考慮的還有冷卻、諧波、混附訊號(hào)(Spur)，與其它非線性動(dòng)作，均可能影響測(cè)量作業(yè)?？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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)試，直到上市的成本，均為巨額的投資。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(duì)高效能的 RF 測(cè)試設(shè)備來說，由于必須能滿足甚或超過目前市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)之外，亦可能影響公司的后續(xù)營(yíng)收。

但是昂貴、高效能，且精確校準(zhǔn)過的 DUT 與測(cè)試系統(tǒng)還不夠，針對(duì)中間用以銜接裝置用的連結(jié)組件，亦必須考慮其質(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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

對(duì)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)度亦可能影響錯(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) 亦能影響整體的測(cè)量結(jié)果。若要開始測(cè)量作業(yè)，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(cè)量系統(tǒng)的效能最好達(dá)到 DUT 受測(cè)參數(shù)的 10 倍之譜。

若已擁有高質(zhì)量的訊號(hào)路徑，則接著就是布署完整的測(cè)量實(shí)作；使用者應(yīng)確實(shí)清潔并存放連接線、接頭，與轉(zhuǎn)接器，就算是最高級(jí)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(cè)試作業(yè)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(qǐng)注意，應(yīng)適時(shí)靜電放電 (Electro-static discharge，ESD)。即便于測(cè)試系統(tǒng)與 DUT 之間使用最高質(zhì)量的組件，若銜接的零件過多，亦可能造成測(cè)量錯(cuò)誤。

為測(cè)量作業(yè)選用正確的工具

根據(jù)所要測(cè)量的參數(shù)與所需的精確度，其測(cè)量 DUT 的 RF 設(shè)備亦有所不同。能投資設(shè)備當(dāng)然最好，但若僅能發(fā)揮設(shè)備某部分的效能，就形成預(yù)算浪費(fèi)。若僅需測(cè)量 RF 功率，則 RF 功率計(jì)當(dāng)然優(yōu)于向量訊號(hào)分析器 (VSA)。

純量(Scalar)儀器僅能測(cè)量強(qiáng)度 (振幅)，而向量?jī)x器則可測(cè)量強(qiáng)度與相位。就算測(cè)量作業(yè)不需相位值，則由于向量?jī)x器的相位信息可找出系統(tǒng)中的無用反射并將之量化，因此亦可用以修正錯(cuò)誤。

在購買 RF 設(shè)備時(shí)，價(jià)格往往并不等同于效能。高質(zhì)量的掃頻調(diào)協(xié)頻譜分析器 (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(cè)量效能而言，雖然已可達(dá) ± 1 dB 或較差的精確度并可用于一般測(cè)量，但卻無法滿足絕對(duì) RF 功率的測(cè)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(cè)量 -155 dBm/Hz 噪聲水平的 DUT。

所以請(qǐng)為測(cè)量作業(yè)選擇正確的工具；若購買的設(shè)備效能超出所需的測(cè)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(cè)量質(zhì)量。

開發(fā)測(cè)量程序

一旦建構(gòu)自己所需的最佳實(shí)作，即可將之安裝至測(cè)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(cè)量結(jié)果達(dá)到更好的可重復(fù)性與一致性。舉例來說，測(cè)量程序的常見問題之一即為：“應(yīng)多久校準(zhǔn) 1 次”。

許多 RF 儀器對(duì)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(cè)量需求亦常常影響了校準(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(cè)量程序中。

從設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、測(cè)試，到制造的所有程序，均將影響 RF 的測(cè)量效能。使用者亦需考慮制造過程所應(yīng)測(cè)試并檢驗(yàn)的作業(yè)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 (如重新作業(yè)、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，亦應(yīng)考慮相關(guān)程序。亦可連帶簡(jiǎn)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”亦將影響 RF 參數(shù)與測(cè)量結(jié)果。

提高 RF 測(cè)量作業(yè)的質(zhì)量

要進(jìn)行 RF 測(cè)量作業(yè)很簡(jiǎn)單，但要能準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(cè)量質(zhì)量，以確實(shí)了解測(cè)量要點(diǎn)并用于實(shí)作之中。從提高 RF 測(cè)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。