矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVB在放大器測試中的應(yīng)用

　　放大器的測試指標(biāo)可以分為兩類：線性指標(biāo)測試和非線性指標(biāo)測試。線性指標(biāo)的測試基于S 參數(shù)的測量，采用常規(guī)矢量網(wǎng)絡(luò)分析議來完成。對于非線性指標(biāo)的測試，傳統(tǒng)測試方案采用頻譜儀加信號源方法，但這種方案有很多缺點(diǎn)如無法實現(xiàn)同步掃頻、掃功率測試，不能進(jìn)行相位測量如幅度相位轉(zhuǎn)化(AM/PM)測量。R&S ZVB采用創(chuàng)新的硬件結(jié)構(gòu)，其輸出功率很高、功率掃描范圍寬，因而無需另外單獨(dú)使用前置放大器，一次掃描即可確定放大器功率壓縮特性。ZVB采用了強(qiáng)大的自動電平控制設(shè)計以及高選擇性、高靈敏性的接收機(jī)，因而可在較寬的動態(tài)范圍下進(jìn)行放大器的諧波測試而無需使用外部濾波器。

　　端口匹配特性測量

　　端口匹配特性主要測試端口的S11與S22參數(shù)。如端口1的S11參數(shù)等于反射信號b1與入射信號a1之比：

　　S11參數(shù)也可稱為輸入反射因子。S11為復(fù)數(shù)，工程上通常用回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)來表達(dá)端口的匹配程度。S11與這兩個參數(shù)的關(guān)系如下：

　　以上兩個參數(shù)與S11的換算由ZVB自動完成，用戶只需要在[Format] 菜單中選擇[dB Mag]->回波損耗，[SWR]->駐波比，就可以顯示相應(yīng)的測試曲線。ZVB提供軌跡統(tǒng)計功能[Trace Statistics]，可自動顯示軌跡的最大值、最小值和峰-峰值，并且可以通過設(shè)置 [Eval Range]，來調(diào)整統(tǒng)計頻率范圍。該功能對帶限器件(如濾波器)的帶內(nèi)指標(biāo)測試非常有用。

　　圖1 回波損耗測試和軌跡統(tǒng)計結(jié)果
　　在電路設(shè)計的過程中，精確輸入阻抗信息對于設(shè)計人員更為重要。比如：在手機(jī)板設(shè)計中，設(shè)計人員要精確測試前端放大器的輸入、輸出阻抗，然后根據(jù)輸入、輸出阻抗信息來設(shè)計對應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到手機(jī)的最大功率發(fā)射和最佳的整機(jī)靈敏度。輸入阻抗與S11的關(guān)系如下：

　　用戶通過選擇[Format] 鍵中的[Smith]菜單來顯示阻抗測試軌跡，通過設(shè)置Marker可以方便的測得每一頻點(diǎn)對應(yīng)的輸入電抗和電阻。另外ZVB標(biāo)配的虛擬加嵌功能，能模擬在輸入、輸出端口加上虛擬的匹配網(wǎng)絡(luò)之后，整個網(wǎng)絡(luò)的性能。該功能大大簡化了設(shè)計人員的工作量，無需實際的電路調(diào)整，就能預(yù)測調(diào)整后的DUT性能。用戶通過選擇[Mode]菜單中的[Virtual Transform]來激活該功能。

　　傳輸參數(shù)測量

　　除了端口匹配特性的測量，放大器前向放大和反向隔離特性也可分別由測試S21 和S12 得到。前向的傳輸參數(shù)S21 等于在端口2測得前向功率b2與端口1的激勵功率a1的比值：

　　而放大器的增益等于S21絕對幅度的對數(shù)值：

　　反向的傳輸參數(shù)S12 等于在端口1測得反向功率b1與端口2的激勵功率a2的比值：

　　而放大器的反向隔離度等于S12絕對幅度的對數(shù)值：

　　用戶只需分別設(shè)置S21和S12的 顯示格式為dB([format] -> [dB Mag])，放大器增益和隔離度即可同時顯示在ZVB上。

　　圖2 增益和反向隔離測試結(jié)果

　　功率壓縮特性測量

　　功率壓縮特性的測試主要用來衡量待測件(DUT)的線性度。對于放大器的測試，工程上通常采用輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB )來表征該特性。P1dB的定義為： 隨著輸入功率的增加，放大器的增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值，如圖3所示。

　圖3 P1dB定義

　　ZVB不僅可以測量參數(shù)隨頻率變化的曲線還可以測量參數(shù)隨輸入功率變化的曲線。ZVB內(nèi)置信號源可以提供非常大的功率掃描范圍，其典型值為60dB，而且60dB的功率掃描范圍完全由電子衰減器來實現(xiàn)而非采用傳統(tǒng)的機(jī)械步進(jìn)衰減器。機(jī)械式衰減器的幅度可重復(fù)度較差且使用壽命較短，所以ZVB特別適合測試有源器件的功率壓縮特性。

　　P1dB的測量涉及到S21隨著絕對輸入功率變化的曲線，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常用于S參數(shù)相對量的測量。為了提高其絕對測量精度，推薦使用的功率計對矢網(wǎng)做功率校準(zhǔn)。R&S公司的NRP系列功率計可以通過USB接口直接和ZVB連接，從而省掉功率計主機(jī)和昂貴GPIB卡。ZVB功率校準(zhǔn)過程分成兩個過程：矢網(wǎng)的內(nèi)部源幅度校準(zhǔn)和接收機(jī)幅度校準(zhǔn)。在第一個過程中將功率探頭直接和矢網(wǎng)的源端口連接，對應(yīng)選擇 [CAL]鍵下的菜單[Start Power Cal]-> [Souce Power Cal]。 第二步將已校準(zhǔn)的源端口和接收端口連接進(jìn)行接收機(jī)的校準(zhǔn)，對應(yīng)選擇 [CAL]鍵下的菜單[Start Power Cal]-> [Receiver Power Cal]。

　　諧波測量

　　隨著激勵功率的增加，放大器將進(jìn)入非線性工作區(qū)，不僅除出現(xiàn)輸出功率壓縮現(xiàn)象，還會出非線性頻率分量。這些新的頻率輸出分量多為輸入頻率的整數(shù)倍，稱為諧波分量。設(shè)計人員往往比較關(guān)心的是輸入基波分量與諧波分量的幅度差值，因為幅度差越大，意味著在同樣的直流輸入功率情況下，更多的功率轉(zhuǎn)換為所需的基波功率，而非諧波功率，也可視為提高了放大器的效率。ZVB打破了傳統(tǒng)矢網(wǎng)信號源和接收機(jī)必須工作在同一頻率上的限制，可以使源和接收機(jī)工作在不同的頻率點(diǎn)上。具體對于諧波測量而言，可以讓矢網(wǎng)源輸出基波信號，而接收機(jī)工作在諧波頻率上，并可方便實現(xiàn)對基波輸入頻率或輸入功率的掃描測試。對應(yīng)ZVB的設(shè)置：可先通過[Chan Select]+[Add channel +trace+Diag Area]的方法來添加一個新的觀測窗口和新的測試通道。然后在[Mode]鍵下選擇[Harmonics]進(jìn)入諧波測試模式，而后通過選擇 2nd、3rd或者輸入其它諧波次數(shù)來測量對應(yīng)的諧波。

　　對于測試絕對諧波功率對輸入基波功率的變化，同樣推薦在測試前應(yīng)該進(jìn)行功率校準(zhǔn)。ZVB也提供諧波功率校準(zhǔn)的方法。通過[Harmonic Power Cal] 進(jìn)入功率校準(zhǔn)對話框，其基本操作過程與測試放大器功率壓縮特性時相同，只不過在進(jìn)行源功率校準(zhǔn)時的頻率為整個測試頻率而在接收機(jī)校準(zhǔn)時的頻率為諧波頻率而已。

　　幅度相位轉(zhuǎn)化測量

　　放大器的非線性特征除了功率壓縮和產(chǎn)生諧波頻率兩個方面外，還有相位非線性特征，即隨著輸入功率的改變，放大器插入相移的變化。工程上通常采用AM/PM轉(zhuǎn)化來描述，其具體的定義為： 輸入功率每變化1dB ,插入相移的改變量，單位為Degrees/dB。

　　同功率壓縮特性的測量一樣，應(yīng)設(shè)置ZVB掃描類型 [Sweep Type] 為功率掃描 [Power]。測試軌跡為S21，但顯示格式[Format]應(yīng)設(shè)置為相位方式[Phase]。在測試過程中，可使用ZVB 提供Delta Marker與Reference功能方便的讀值。