在無線世界中,射頻組件測試的需求是將產(chǎn)品推向市場的關(guān)鍵因素之一。設備越來越小,包含的組件越來越復雜。運用阻抗(或導納)和反射/傳輸參數(shù)的理論知識,可以使射頻設備的性能達到最佳。濾波器、諧振器等射頻元件所用到的電容和電感值可以通過理論計算來獲得,借助仿真軟件微調(diào)元件的屬性值來優(yōu)化整體設計,但是最終射頻元件的性能還需要通過實際測量來評估。
相比于標量網(wǎng)絡分析儀來說,矢量網(wǎng)絡分析儀(VNA)不僅可以測量幅度和頻率等標量信息,還可以測試相位等更加全面的系統(tǒng)特征值。
矢量網(wǎng)絡分析儀(VNA)是用來評估及測試射頻元件性能的重要設備,其測試結(jié)果以矢量(復數(shù))形式表征。矢量網(wǎng)絡分析以反射[S11]和傳輸[S21]因子組成散射矩陣,并可以通過相位信息對線纜故障位置進行精確計算。
RIGOL的RSA5000N和RSA3000N(以下稱RSAxN)系列VNA解決方案可以執(zhí)行三種不同的測量:反射[S11]、傳輸[S21]和故障點距離[DTF]測量。通過切換測試模式,工程師可以輕松地獲取被測物(DUT)的頻率響應、相位、SWR(駐波比)等信息,并且可以得到依據(jù)DUT特性繪制的Smith圓圖和極坐標圓圖。
一、S11測量
反射測量是確定復雜系統(tǒng)(如無線通信系統(tǒng))性能的關(guān)鍵,反射系數(shù)指反射波電壓與入射波電壓的比值。進行反射測量最優(yōu)的方式之一是Smith圓圖,因為它所含信息最多,比如:
• 復阻抗信息、電感/容抗匹配情況以及補償方式
• 復反射系數(shù)
• 電容或電感的實際影響
• 頻率范圍的影響及頻率響應
• 射頻組件的Q因子
在RSAxN中,史密斯圓圖可以顯示阻抗或?qū)Ъ{圓圖。圖1是一個通用的Smith圓圖。“通用”是指它可以用于每個系統(tǒng)阻抗。但最終實際復阻抗的計算須在測量完成后進行。在RSAxN中,可以通過標記和測量阻抗值來表征轉(zhuǎn)換后的值。
Smith圓圖和極坐標圖是分析特定頻段上復阻抗和反射系數(shù)的有效工具,其主要目的是做高頻電路的阻抗匹配。阻抗表示電路對電信號的阻礙能力,由矢量(復數(shù))表征:實部表示電阻值,虛部表示電抗值(包括容抗和感抗)。在Smith圓圖中,上半部分表示電路偏感性,即虛部是正值;下半部分表示電路偏容性,即虛部是負值;中間的水平分界線表示電路為純阻性,即阻抗的虛部為0,最左側(cè)為短路點(阻抗為0),最右側(cè)為開路點(阻抗為無窮大),正中心是阻抗匹配點,此時電路處于最佳狀態(tài)。
圖1: 阻抗區(qū)域的Smith圓圖概述,以50 Ω為例
如下,以對50歐網(wǎng)絡的輸入端口測試為例,Smith圓圖可以顯示復數(shù)網(wǎng)絡中不同的可能性。
圖2:DUT中心頻率測量及阻抗匹配
如圖2,我們的實測結(jié)果對應Smith圓圖的A點(First measurement)。對該端口先串聯(lián)30歐的電阻我們可以讓測試結(jié)果到達B點然后再串聯(lián)27歐的感抗,即可實現(xiàn)在指定頻點的50歐匹配C點。但現(xiàn)實問題是,27歐感抗對應的67pH電感值非常小,很難實現(xiàn),且獨立的電感元件適應頻率范圍也不夠高,所以對于更高的頻率,需要使用其他方法,如微帶傳輸線,用短截線來補償-j27歐(短路短截線的長度: I = 0.078λ,開路短截線的長度: I = 0.328 λ)。對于短截線,需要介電常數(shù)來評估正確的波長。
除了通過Smith圓圖來直觀進行阻抗匹配計算,VNA還可以在頻率范圍內(nèi)換算成回波損耗和電壓駐波比VSWR
圖3:S11參數(shù)測量的四種顯示方式:Smith圓圖、極坐標圖、對數(shù)幅度-頻率、SWR
信號通過濾波器、放大器等組件傳輸時,都會有延時現(xiàn)象。如果寬帶信號經(jīng)過組件,不同頻率信號的群時延不同,會引起信號的非線性變化,即導致信號失真,這不是我們所希望的結(jié)果。如果群時延在頻率范圍內(nèi)是恒定的,那么所有頻率分量將有相同的相位偏差,在這種情況下,理想系統(tǒng)將沒有失真,群時延將是一個恒定值。
群時延計算如下:
圖4:對數(shù)幅度-頻率、SWR、相位-頻率、群時延
二、S21參數(shù)測量
S21參數(shù)可以表征在指定頻率范圍內(nèi)的插入損耗,在經(jīng)過一個完整的校準后可以進行高精度的測量。頻率響應的測量功能可以用于測量濾波器(見圖5)或放大器的帶寬。
圖5:S11 SWR測量(左)、S21插入損耗(對數(shù)刻度)測量(右)
類似于S11測量,也可以用RSAxN測量S21的相位、插入損耗和群延遲(見圖6)。
圖6:插入損耗(綠色)、相位(藍色)和群延遲 (粉色)的S21測量
三、故障點距離測量DTF
DTF是S11測量的擴展應用,是為了定位線纜故障的距離,在頻域中測量被測電纜的反射。DTF首先通過比較反射信號和跟蹤源創(chuàng)建的參考信號來確定頻段范圍內(nèi)的反射向量,然后執(zhí)行快速傅里葉逆變換(IFFT)。結(jié)合線纜模型的特征,就能夠快速確定反射傳播的距離,準確定位線纜中的故障點。為了進一步提高準確性,DTF的算法中還考慮補償了傳輸過程中發(fā)生的衰減損耗。
圖7顯示了DUT的頻率范圍(S11)和DTF測量結(jié)果(兩根線纜之間有連接器,末端匹配50 Ω)。在S11的一定頻率范圍內(nèi)測量顯示時,故障點只能被粗略地捕捉。但在DTF中,很容易得到故障點的精確距離。
圖7:S11對數(shù)數(shù)量級(左)、相同組件的DTF時間視圖(右)
四、校準
精確測量的前提是校準。校準可以將系統(tǒng)誤差最小化,從而得到更準確的測量結(jié)果。
S11/DTF校準
D =方向性誤差:來自定向耦合器的非理性特性Ms=源匹配誤差:來自VNA信號源的阻抗失配TR= 跟蹤誤差:來自于用于信號分離器件(如定向耦合器)、混頻器和內(nèi)部檢測器的元器件的頻率響應。以下是一個單端口測量的誤差模型極其公式:
圖8:單端口測量的誤差模型
負載校準:使用50Ω阻抗[負載]時,S11A為0,S11M = D(測量定向耦合器的方向性誤差)。VNA可將校準后的頻率范圍內(nèi)的方向性誤差[D]降至最低。校準后,RSA5000N的方向性誤差約為-40dB。
短路/開路校準:從DUT的角度看,源[Ms]不匹配,這會在DUT與系統(tǒng)之間形成反射環(huán)路。當DUT顯示不匹配時,可以看到此誤差。此外,連接器、電纜、內(nèi)部耦合器、檢測器導致頻率響應誤差[TR]。在開路( S11A= 1)和短路( S11A= 1)校準下,將產(chǎn)生兩個含有因子 Ms和 TR的方程式。
開路/負載/短路和直通校準件應該是理想的,例如短路反射系數(shù) = 1,但實際不是。例如,開路包含雜散電容,短路則包含電感。RIGOL的校準套件CK106A(DC – 6.5 GHz)和CK106E(DC – 1.5 GHz)補償參數(shù)已經(jīng)集成到RSAxN版本中,可以進行精確的校準。如果使用其它校準套件,則需要根據(jù)所使用的校準套件參數(shù)自定義。
圖9:帶通濾波器的測量:端口末校準測量(細線)和直通校準后測量(粗線)
對于DTF測量,需要綜合電纜的速度因數(shù)(例如70%→0.7)和電纜損耗,以提高測量的準確性。
S21校準
對于S21(傳輸系數(shù))測量,需要進行直通校準以獲得平坦的幅頻響應曲線。圖10顯示了校準前后的曲線。
圖10:帶通濾波器的S21測量:未直通準測量(細線)和直通校準后測量(粗線)
五、總結(jié)
常規(guī)的矢量網(wǎng)絡分析儀價格非常昂貴,而且體積一般較大,不便于系統(tǒng)搭建和操作。由RIGOL研發(fā)的RSA5000N/3000N系列頻譜分析儀,搭配VNA功能模式,可以提供給您最具性價比的矢量網(wǎng)絡分析解決方案。我們根據(jù)您的需要,配備了高性能和經(jīng)濟性兩款設備,為您最大可能的優(yōu)化成本配置,供您在技術(shù)研究、生產(chǎn)制造、教育教學等多種途徑中靈活選擇。
RSA5032N頻譜分析儀
普源精電科技股份有限公司(RIGOL TECHNOLOGIES CO., LTD.)自1998年成立,致力于成為測試測量行業(yè)卓越的國際品牌。RIGOL是業(yè)界領(lǐng)先的從事測量儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè),所設計研發(fā)的產(chǎn)品深受客戶支持與喜愛,目前已是測試測量行業(yè)擁有自主芯片研發(fā)創(chuàng)新能力的品牌。隨著RIGOL國際化步伐的深入,目前已成為全球測試測量行業(yè)的市場創(chuàng)新者。