射頻及微波校準源測量法

在開發(fā)中進行測量，可用以評估是否達成目標規(guī)范的性能，同時在測試制程中的產(chǎn)品時將面臨各種挑戰(zhàn)，包括確認使用的方法是否可提供較為確定的所需數(shù)值范圍、缺乏某項參數(shù)的追溯，以及確認可作為交叉檢查的替代技術(shù)，以驗證選擇的方法。使用者同時須有可迅速取得的設備、運用合適的方法，以進行例行性的重新校準工作。本文將簡述儀器設計架構(gòu)，并概述所運用的測量方法。

利用具備外部校準探頭儀器進行測試

信號源頻率范圍介于10Hz～4GHz之間，振幅則介于+24～-130dBm間，專門用于產(chǎn)生絕大多數(shù)常見RF及微波校準應用所需的信號，并具有一定的準確度，而無須在使用時以其他設備進行監(jiān)控或特性化(Characterize)輸出，如使用功率分離器與功率傳感器測量輸出振幅、使用調(diào)變分析儀監(jiān)控調(diào)變電平等。

為協(xié)助輸出信號直接傳送至負載或待測單元(UUT)輸入，并將因纜線與互連而產(chǎn)生的效能低落情形降至最低，因此新型儀器配備外部校準探頭(Leveling Head)，信號會自主機中產(chǎn)生，并饋入包含電平探測器與衰減器電路的外部校準探頭。

許多校準應用大多須要獲得高純度的信號，且常須要使用外部濾波器，而外部校準探頭的設計為藉由輸出信號路徑內(nèi)設置合適濾波器的方法，可降低諧波與假性含量。此外，此項設計亦具有內(nèi)部類比調(diào)變功能，調(diào)頻(FM)以最高300kHz的速率于頻率合成器內(nèi)產(chǎn)生，而調(diào)幅(AM)則以最高220kHz的頻率在輸出放大與水平電路(Leveling Circuit)內(nèi)產(chǎn)生。此外，測量需求包括水平振幅電平(RF功率)、輸出電壓駐波比(VSWR)及調(diào)變。

功率傳感器無法支持較低不確定度測量

RF電平(Level)測量值為參考頻率的絕對值，接著再測量相對于此參考頻率數(shù)值的頻率響應，即平坦度，而關(guān)于100kHz參考點的測量，可采用交流電(AC)電壓測量標準測量在已知50Ω終端上形成的均方根(RMS)電壓，再計算相應的功率電平。RF功率計與功率傳感器用于高頻測量，此為常用的技術(shù)，若能使用含修正資料且正確校準的功率傳感器，將可進行不確定度極低的追溯測量工作。

然而，此項技術(shù)仍無法提供夠低、約-50dBm左右的不確定度。測量工作可利用現(xiàn)代頻譜分析儀接近線性的振幅響應，以較低的電平進行，而此類儀器的線性絕大多數(shù)均取決于用于數(shù)字化中頻(IF)信號的交流對直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器，以便在數(shù)字領(lǐng)域中進行后續(xù)處理。測量的分析儀線性誤差通?？纱蠓陀谠跍y試中預估的不確定度，即在70dB的范圍內(nèi)小于0.02dB，頻譜分析儀依功率傳感器測量的UUT輸出，在- 47dBm標準化，且不須更改分析儀的設定，即可在50dB范圍內(nèi)，最低在-97dB進行測量，之后，頻譜分析儀即在-97dBm標準化，以于-130dBm進行測量。

信號源輸入阻抗可預估失配程度

知道信號源，即信號源端匹配的輸入阻抗不僅對確認規(guī)范而言十分重要，亦可讓使用者預估其應用中失配的不確定度。VSWR或輸入回流損失測量技術(shù)通常用于連接「Leveling」準位來源的被動式裝置，將有窒礙難行之處并產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，且進行此工作時，難以有實驗室能為產(chǎn)生器以符合標準的方式進行信號源端匹配(Source Match)測量，且鮮少有制造商會在自身的文獻中記載方法。如圖1所示，此架構(gòu)選擇的方法為輸入回流損失電橋。

圖1 信號源VSWR測量架構(gòu)

信號發(fā)生器從UUT輸出頻率，以約莫10Hz的少許固定頻率偏移插入信號。UUT輸出與反射信號將以10Hz的比率加減，此信號以設為「零跨距(Zero Span)」模式的頻譜分析儀偵測，并使用指針測量最大與最小振幅差異及時間，參考電平亦以UUT取代開路與短路測量，并計算電壓反射系數(shù)與VSWR。

AM與FM的精準度目標為高于0.1%，且失真小于0.05%(-66dB)，然而傳統(tǒng)測量方式卻難以達成此目標，但可使用配備測量解調(diào)器的頻譜分析儀進行測量，解調(diào)器采用數(shù)字信號處理，以數(shù)字化IF資料的方式，從取得的資料獲取所需的信號特性(圖2)。

圖2 頻譜分析儀信號處理

為何須為AM與FM測量調(diào)變率、調(diào)變深度/ 偏移及失真，如進行失真測量時，即可設定解調(diào)器顯示信號的音頻頻譜，且使用總諧波失真(THD)測量算法判定所需帶寬中出現(xiàn)的總諧波含量。先不論FM偏移測量的貝索零值(Bessel Null)技術(shù)，分析頻譜分析儀與測量解調(diào)器中的固有誤差來源后發(fā)現(xiàn)，應取得極為準確的調(diào)變測量值，否則技術(shù)人員也無法找出可提供夠低的追溯不確定度的方法或其他實驗室，以完整評估潛在的性能。