基于PNA-X NVNA網(wǎng)絡(luò)分析儀的非線性測量

隨著 TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的科技與研發(fā)人員投入到更先進(jìn)的器件的研究與開發(fā)當(dāng)中。功率放大器以及相應(yīng)的功能部件是無線通信設(shè)備中最為關(guān)鍵的部件。從設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生到設(shè)計(jì)的仿真，再到具體電路的實(shí)現(xiàn)和再次的從仿真到實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證，給廣大研發(fā)人員提出了巨大的挑戰(zhàn)。同時，盡快把產(chǎn)品推向市場，取得競爭優(yōu)勢也給研發(fā)人員施加了前所未有的壓力。

在這種高度苛刻的市場要求和競爭的壓力下，研發(fā)人員感到了一種從未有過的迫切需求，他們需要更為先進(jìn)和創(chuàng)新的工具!以前所未有的方式更加容易、迅速地解決設(shè)計(jì)中最頭痛的問題。在這個充滿機(jī)遇與挑戰(zhàn)的歷史時期，安捷倫科技推出了創(chuàng)新測試工具——高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X N5242A，它是非線性網(wǎng)絡(luò)分析測試儀。

PNA-X N5242A非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(NVNA)主要采用兩種方法來測量被測件(DUT)的非線性效應(yīng)：一種是非線性元器件特性表征法，另一種是提取 X 參數(shù)法。

非線性元器件特性表征測量可提供被測件的入射波、反射波和透射波經(jīng)過校準(zhǔn)和矢量校正后的波形，并可測量和顯示所有的輸入信號和輸出信號的頻譜。因此我們現(xiàn)在可以觀察失真信號的幅度和相位信息，接下來我們還可以觀看任意指定頻率的信號相對相位和絕對幅度。根據(jù)這些信息，可以很清楚地知道各個頻譜分量的幅度和相位信息，從而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的匹配電路以消除器件的非線性效應(yīng)，例如三次諧波造成的影響等。這些數(shù)據(jù)可以顯示在頻率域、時間域或功率域中，或可以用戶定義的方式來顯示，例如顯示動態(tài)負(fù)載線的 I/V 曲線。NVNA 這種在不同域中顯示同一數(shù)據(jù)的能力可使設(shè)計(jì)人員非常清楚地了解和分析非線性元器件的特性。如果在時域中看到被測件的輸出信號出現(xiàn)失真的話，便可以把同樣的測試結(jié)果切換至頻域，以觀察各頻率分量的幅度和相位信息。接下來可以通過改變功率，來觀察在某個指定基本頻率的給定的功率電平上失真信號的各個頻譜分量的幅度和相位對基頻功率變化的靈敏度和受影響的程度。非線性元器件特性表征測量的另一實(shí)例是信號通過倍頻器時的群延遲測量。NVNA 可測量輸入激勵和輸出信號相對于一個已經(jīng)過校準(zhǔn)的相位參考信號的相位以及幅度。因此，設(shè)計(jì)人員能夠相對輕松地完成倍頻器的群延遲測量。NANA 另一個優(yōu)勢是用戶可將所有通過測量獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到用戶自己選擇的設(shè)計(jì)模型中。

X 參數(shù)法是以非線性元器件特性表征的測量體系結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)，將 S 參數(shù)以在數(shù)學(xué)上和邏輯上都正確的方法擴(kuò)展至非線性大信號工作環(huán)境中。在 X 參數(shù)測量中還需要另外一個信號源，這樣就能同時用大信號和小信號來激勵被測器件。在測量過程中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是必須小心控制這些信號的相位和幅度。利用測量獲得的信息，便可提取出 X 參數(shù)。X 參數(shù)能夠提供元器件在線性或非線性狀態(tài)下工作時的元器件增益和匹配等信息，而且也可以像 S 參數(shù)一樣被顯示出來。由于 X 參數(shù)表明了各個諧波分量的頻率之間的相互關(guān)聯(lián)性，因此X 參數(shù)的信息量將會比 S 參數(shù)要多得多。例如，基波頻率的輸出信號與輸入信號的三次諧波之比(即基波對應(yīng)于三次諧波的增益)顯示為 X 參數(shù)時就是 X21,13。此外，X 參數(shù)與元器件的大信號工作狀態(tài)有明顯的關(guān)系，因此輸入功率現(xiàn)在成了一個變量，這一點(diǎn)是和通常設(shè)定與功率無關(guān)的 S 參數(shù)是不同的。X 參數(shù)最大的優(yōu)勢之一是給 ADS 提供 PHD (多次諧波失真)模型，這樣就能用 ADS 精確地對各個元器件中的 X 參數(shù)進(jìn)行級聯(lián)，從而設(shè)計(jì)和仿真更復(fù)雜的器件、模塊和系統(tǒng)。X 參數(shù)可以從測量結(jié)果中把最重要的項(xiàng)目分離出來，從而能使用戶對非線性成分的匹配情況加以適當(dāng)?shù)目紤]，精確地實(shí)現(xiàn)非線性的設(shè)計(jì)和仿真。

X 參數(shù)之于非線性測量就如同 S 參數(shù)之于線性測量。S 參數(shù)是為了對射頻元器件的線性特性進(jìn)行分析和建模而開發(fā)的一種方法。在把多個獨(dú)立的器件級聯(lián)起來做成一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)時，S 參數(shù)在分析、建模和設(shè)計(jì)的過程中也起著重要的作用。它們與很多種工程師所熟悉的測量結(jié)果是密切關(guān)聯(lián)的，例如 S11 與輸入匹配、S22 與輸出匹配、S21 與增益/損耗、S12 與隔離度等等，S 參數(shù)也都可以輕松地導(dǎo)入 ADS 之類的電子仿真工具中。盡管 S 參數(shù)用途廣泛且功能非常強(qiáng)大，但它們也有其局限性，即只能用于小信號和線性系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量 S 參數(shù)的，在非常有限的程度上也可以使用某些近似方法來分析元器件的非線性特性。例如可以把測試接收機(jī)的測試頻率調(diào)諧到偏離于激勵信號頻率的某個值，使測試接收機(jī)進(jìn)行與通常測試 S 參數(shù)時所需要的比值測試不同的非比值測試，增益壓縮、諧波的幅度、頻率轉(zhuǎn)換器的匹配、變頻損耗/增益和群延遲等指標(biāo)就是用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析儀(或小信號 S 參數(shù)分析儀)進(jìn)行非線性特性測試的指標(biāo)。開發(fā) X 參數(shù)測試是為了以一種更穩(wěn)定和更全面的形式來表征和分析射頻元器件的非線性特性。這些參數(shù)是 S 參數(shù)在大信號工作條件下的一個擴(kuò)展。這意味著要先把元器件驅(qū)動到飽和工作狀態(tài)，這也是許多元器件的實(shí)際工作狀態(tài)，然后再在這些條件下對器件進(jìn)行測試。同樣，人們無需了解被測件的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，它只是電壓波形的一個激勵響應(yīng)模型。關(guān)鍵在于基波和所有有關(guān)諧波的絕對幅度和相關(guān)頻率的相位信息都可以使用 X 參數(shù)來精確地進(jìn)行測量和表征。

X 參數(shù)信息的價值可以在設(shè)計(jì)功率放大器的過程中體現(xiàn)。為了獲得最大輸出功率以及最大限度地提高效率，設(shè)計(jì)人員必須讓放大器工作在非線性區(qū)域，然后使用某種反饋電路對非線性效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，使功放的輸出特性看上去像是一種高功率的線性器件的特性。以前最常用的做法是使用濾波器和其他元器件來抑制功率放大器的諧波輸出。如果濾波元器件的輸入匹配不能和放大器生成的特定諧波的輸出匹配相匹配的話，則特定諧波的衰減程度可能會與預(yù)計(jì)值偏差極大。這至少也會導(dǎo)致用戶耗費(fèi)大量時間進(jìn)行追蹤和糾正錯誤?，F(xiàn)在，使用從 X 參數(shù)測量中獲得各次諧波的精確的相位和幅度信息，以及 ADS 等仿真工具，設(shè)計(jì)者便可以在最短的時間內(nèi)設(shè)計(jì)出穩(wěn)定又精確的系統(tǒng)。

NVNA 非線性測量需要進(jìn)行簡單的三步校準(zhǔn)：1) 使用 8 項(xiàng)誤差模型進(jìn)行 SLOT 或 TRL 型校準(zhǔn);2) 使用功率計(jì)/傳感器進(jìn)行接收機(jī)功率測試校準(zhǔn);3) 使用安捷倫新型梳狀波發(fā)生器進(jìn)行接收機(jī)相位校準(zhǔn)。2 端口測量需要使用五個接收機(jī)：a1、a2、b1、b2、R。和 S 參數(shù)不同，非線性特性表征測量只進(jìn)行正向掃描，并且必須在每個頻點(diǎn)上所有的測試接收機(jī)同時進(jìn)行測量。而 S 參數(shù)測量是在正向掃描上測量一半?yún)?shù)，在反向掃描上測量另一半?yún)?shù)，并且每個 S 參數(shù)均是所有反射波、透射波或參數(shù)的一個函數(shù)。非線性特性表征測量可以一次收集所有的入射波、反射波和透射波，并且包括了非比值的、經(jīng)過功率校準(zhǔn)的接收機(jī)的測量結(jié)果和多諧波相位基準(zhǔn)，以消除系統(tǒng)誤差項(xiàng)。在 X 參數(shù)測量中，用一定頻率和相位的大信號和小信號同時激勵被測器件，然后在這些條件下測量散射波的幅度和相位，從而識別 X 參數(shù)。

NVNA 非線性測量能夠提供完全的匹配校正、精確的幅度信息以及相關(guān)頻率的相位信息，為非線性元器件特性的精確測量和深入分析創(chuàng)立了一個嶄新的標(biāo)準(zhǔn)。