使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)放大器性能進(jìn)行分析

放大器的測(cè)試指標(biāo)可以分為兩類(lèi)：線性指標(biāo)測(cè)試和非線性指標(biāo)測(cè)試。線性指標(biāo)的測(cè)試基于S參數(shù)的測(cè)量，采用常規(guī)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成。對(duì)于非線性指標(biāo)的測(cè)試，傳統(tǒng)測(cè)試方案采用頻譜儀加信號(hào)源方法，但這種方案有很多缺點(diǎn)：1)無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步掃頻、掃功率測(cè)試。2)不能進(jìn)行相位測(cè)量，如幅度相位轉(zhuǎn)化(AM/PM)測(cè)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(wú)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(dòng)電平控制設(shè)計(jì)以及高選擇性、高靈敏性的接收機(jī)，因而可在較寬的動(dòng)態(tài)范圍下進(jìn)行放大器的諧波測(cè)試而無(wú)需使用外部濾波器。

此外R&S ZVB提供了豐富的測(cè)試功能和友好的操作界面，使得放大器的各種指標(biāo)測(cè)試變得簡(jiǎn)單又直觀。

端口匹配特性測(cè)量

端口匹配特性主要測(cè)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(hào)b1與入射信號(hào)a1之比：

S11參數(shù)也可稱(chēng)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(lái)表達(dá)端口的匹配程度。S11與這兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系如下：

回波損耗 RL = - 20log(r)，其中r = |S11|

駐波比

以上兩個(gè)參數(shù)與S11的換算由ZVB自動(dòng)完成，用戶(hù)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(cè)試曲線。

ZVB提供軌跡統(tǒng)計(jì)功能[Trace Statistics]，可自動(dòng)顯示軌跡的最大值、最小值和峰-峰值，并且可以通過(guò)設(shè)置 [Eval Range]，來(lái)調(diào)整統(tǒng)計(jì)頻率范圍。該功能對(duì)帶限器件(如濾波器)的帶內(nèi)指標(biāo)測(cè)試非常有用。

在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，精確輸入阻抗信息對(duì)于設(shè)計(jì)人員更為重要。比如：在手機(jī)板設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要精確測(cè)試前端放大器的輸入、輸出阻抗，然后根據(jù)輸入、輸出阻抗信息設(shè)計(jì)對(duì)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：

其中Z0=50Ω

用戶(hù)通過(guò)選擇[Format] 鍵中的[Smith]菜單顯示阻抗測(cè)試軌跡，通過(guò)設(shè)置Marker可以方便的測(cè)得每一頻點(diǎn)對(duì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。該功能大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的工作量，無(wú)需實(shí)際的電路調(diào)整，就能預(yù)測(cè)調(diào)整后的DUT性能。用戶(hù)通過(guò)選擇[Mode]菜單中的[Virtual Transform]來(lái)激活該功能。

傳輸參數(shù)測(cè)量

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

而放大器的增益等于S21絕對(duì)幅度的對(duì)數(shù)值：

增益 Gain =

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

而放大器的反向隔離度等于S12絕對(duì)幅度的對(duì)數(shù)值：

隔離度 Isolation = -20log( |S12| )

用戶(hù)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(shí)顯示在ZVB上。

功率壓縮特性測(cè)量

功率壓縮特性的測(cè)試主要用來(lái)衡量待測(cè)件(DUT)的線性度。對(duì)于放大器的測(cè)試，工程上通常采用輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB )來(lái)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(shí)的輸出功率值，如圖1所示。

ZVB不僅可以測(cè)量參數(shù)隨頻率變化的曲線還可以測(cè)量參數(shù)隨輸入功率變化的曲線。ZVB內(nèi)置信號(hào)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(lái)實(shí)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(cè)試有源器件的功率壓縮特性。

ZVB提供多通道(Channel)的測(cè)試功能，不同的通道可以設(shè)置不同的掃描方式，所以可以在一個(gè)通道內(nèi)設(shè)置頻率掃描用于測(cè)試S參數(shù)，而在另一通道內(nèi)設(shè)置成功率掃描用于測(cè)量功率壓縮特性，這樣調(diào)試人員就可以在調(diào)試放大器S參數(shù)的同時(shí)，觀察放大器P1dB的變化。用戶(hù)可通過(guò)[Chan select]鍵，選擇[Add Channel + Trace +Diag Area] 菜單來(lái)增加一個(gè)測(cè)試通道，然后選擇[Sweep]鍵中的[Sweep type]菜單，選擇[Power]就可以進(jìn)行功率掃描測(cè)試。另外ZVB 在軌跡統(tǒng)計(jì)功能[Trace Statistics]中提供了自動(dòng)尋找增益壓縮點(diǎn)的功能[Compression Point]，方便用戶(hù)快速讀值。

P1dB的測(cè)量涉及到S21隨著絕對(duì)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(duì)量的測(cè)量。為了提高其絕對(duì)測(cè)量精度，推薦使用的功率計(jì)對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)做功率校準(zhǔn)。R&S公司的NRP系列功率計(jì)可以通過(guò)USB接口直接和ZVB連接，從而省掉功率計(jì)主機(jī)和昂貴的GPIB卡。ZVB功率校準(zhǔn)過(guò)程分成兩個(gè)過(guò)程：矢量網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部源幅度校準(zhǔn)和接收機(jī)幅度校準(zhǔn)。在第一個(gè)過(guò)程中將功率探頭直接和矢量網(wǎng)絡(luò)的源端口連接，對(duì)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(duì)應(yīng)選擇 [CAL]鍵下的菜單[Start Power Cal]-> [Receiver Power Cal]。

諧波測(cè)量

隨著激勵(lì)功率的增加，放大器將進(jìn)入非線性工作區(qū)，不僅會(huì)出現(xiàn)輸出功率壓縮現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)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(chēng)為諧波分量。設(shè)計(jì)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?yàn)榉炔钤酱?，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。

傳統(tǒng)的放大器的諧波測(cè)量是通過(guò)信號(hào)源加頻譜儀的方式實(shí)現(xiàn)，即用信號(hào)源作為激勵(lì)信號(hào)源，頻譜儀觀測(cè)基波和諧波的信號(hào)幅度。放大器的諧波測(cè)試往往需要測(cè)量不同輸入基波功率對(duì)應(yīng)的諧波輸出功率，或者測(cè)試不同的頻率點(diǎn)上同一輸入基波功率對(duì)應(yīng)的諧波輸出功率。傳統(tǒng)的方法須手動(dòng)記錄或者編寫(xiě)自動(dòng)測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試。

相對(duì)于這些繁瑣的方法，ZVB提供了更為靈活的解決方法。ZVB打破了傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源和接收機(jī)必須工作在同一頻率上的限制，可以使矢量網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源和接收機(jī)工作在不同的頻率點(diǎn)上。具體對(duì)于諧波測(cè)量而言，可以讓矢量網(wǎng)絡(luò)源輸出基波信號(hào)，而接收機(jī)工作在諧波頻率上，并可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)基波輸入頻率或輸入功率的掃描測(cè)試(圖2)。對(duì)應(yīng)ZVB的設(shè)置：可先通過(guò)[Chan Select]+[Add channel +trace+Diag Area]的方法來(lái)添加一個(gè)新的觀測(cè)窗口和新的測(cè)試通道。然后在[Mode]鍵下選擇[Harmonics]進(jìn)入諧波測(cè)試模式，而后通過(guò)選擇 2nd、3rd或者輸入其它諧波次數(shù)來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)的諧波。

對(duì)于測(cè)試絕對(duì)諧波功率對(duì)輸入基波功率的變化，同樣推薦在測(cè)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(guò)[Harmonic Power Cal] 進(jìn)入功率校準(zhǔn)對(duì)話框，其基本操作過(guò)程與測(cè)試放大器功率壓縮特性時(shí)相同，只不過(guò)在進(jìn)行源功率校準(zhǔn)時(shí)的頻率為整個(gè)測(cè)試頻率，而在接收機(jī)校準(zhǔn)時(shí)的頻率為諧波頻率而已。

幅度相位轉(zhuǎn)化測(cè)量

放大器的非線性特性除了功率壓縮和產(chǎn)生諧波頻率兩個(gè)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(lái)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(圖3)。

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

穩(wěn)定性因子測(cè)量

理想狀況下放大器的輸入、輸出端接阻抗應(yīng)該為50Ω，但是在實(shí)際的電路環(huán)境下往往并非如此。而有些放大器在某些端接阻抗可能出現(xiàn)自激振蕩，從而產(chǎn)生許多無(wú)用雜散輸出信號(hào)。放大器的穩(wěn)定性是指放大器對(duì)產(chǎn)生自激振蕩的抑制能力。工程上一般把放大器的穩(wěn)定性狀況分為兩種情況：絕對(duì)穩(wěn)定和條件穩(wěn)定。絕對(duì)穩(wěn)定是指在任何端接阻抗條件下都不出現(xiàn)振蕩，而條件穩(wěn)定是指如果端接阻抗選擇的合適將不出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，但在某些端接阻抗上將出現(xiàn)自激振蕩。

穩(wěn)定性因子有多種定義的方法，ZVB支持三種穩(wěn)定因子測(cè)量。穩(wěn)定性因子的測(cè)量基于S參數(shù)的測(cè)量，其S參數(shù)的關(guān)系如下：

對(duì)于絕對(duì)穩(wěn)定放大器必須滿(mǎn)足：K>1和兩個(gè)附加條件： 1-|S11|2>|S12.S21|與1-|S22|2>|S12.S21|。而采用m1和m2來(lái)描述就不需要附加條件，滿(mǎn)足m1>1或m2>1即可斷定放大器為絕對(duì)穩(wěn)定。

通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置，ZVB就可進(jìn)行放大器穩(wěn)定性測(cè)試(圖4)，對(duì)應(yīng)選擇[Format]鍵下的[Stability]菜單，在彈出的對(duì)話框里選擇輸入、輸出端口和測(cè)試穩(wěn)定性因子的類(lèi)型即可。

結(jié)束語(yǔ)

綜合所述，R&S ZVB 提供的眾多測(cè)試功能使其不僅適合放大器S參數(shù)測(cè)量也適合放大器幅度、相位非線性特性測(cè)量和穩(wěn)定度的測(cè)量，滿(mǎn)足放大器從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)諸多測(cè)試需求。