提高RF微波測(cè)試正確性

盡管大部分的RF 和微波測(cè)試系統(tǒng)所要量測(cè)的對(duì)象只有區(qū)區(qū)幾種廣泛的類別- 放大器、發(fā)射器、接收器等，但每一套個(gè)別的系統(tǒng)卻會(huì)面臨一些不同的環(huán)境條件、要求和挑戰(zhàn)。雖然每一種狀況可能都不一樣，不過當(dāng)您在定義任何的RF和微波測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，卻有三項(xiàng)共通的因素會(huì)相互影響：效能、速度與穩(wěn)定(repeatability)。在每一位系統(tǒng)開發(fā)者面臨的狀況各有不同的情況下，能否在這三項(xiàng)因素間做最佳的取捨將關(guān)系著量測(cè)結(jié)果是否能達(dá)到要求的正確性(integrity)水準(zhǔn)。

在DUT 到量測(cè)儀器之間的路徑上(圖1)，有許多個(gè)點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)這些因素的取捨時(shí)機(jī)，本文建議了一個(gè)考量這些取捨因素的架構(gòu)，并且提供六大秘訣，教您如何克服RF 信號(hào)路徑上常會(huì)碰到的問題。

圖1：在所有的測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)下，都有很多的機(jī)會(huì)可以在效能、速度與穩(wěn)定之間求取最佳的平衡，以控管量測(cè)的正確性。

秘訣一：排定效能、速度與穩(wěn)定的優(yōu)先順序

為了讓全部六大秘訣有論述的依據(jù)，有必要先釐清我們對(duì)效能、速度及穩(wěn)定的定義。在大部分的情況下，只有其中一個(gè)或兩個(gè)因素會(huì)成為首要的考量條件，主導(dǎo)您的測(cè)試需求與設(shè)備的選擇。無論如何，仔細(xì)地審視效能、速度與穩(wěn)定之間的相互影響與取捨關(guān)系(如表1 到表3 的摘要所列)，將可協(xié)助您掌控特有的需求狀況。

■基本的定義

效能

在RF 和微波測(cè)試設(shè)備中，安捷倫科技對(duì)“效能”的定義主要指的是儀器的準(zhǔn)確度、量測(cè)范圍和頻寬。儀器的準(zhǔn)確度包括明訂的振幅和頻率量測(cè)絕對(duì)準(zhǔn)確度;量測(cè)范圍指的是動(dòng)態(tài)范圍、失真、噪音位準(zhǔn)和相位噪音，這些屬性會(huì)影響信號(hào)位準(zhǔn)量測(cè)的精確度;而頻寬則是指可以處理和分析的頻率寬度或資料速率。速度測(cè)試系統(tǒng)的速度或Throughput 會(huì)取決于所使用的硬件、輸入/ 輸出(I/O)介面和軟件，我們的重點(diǎn)將放在硬件和四項(xiàng)會(huì)影響速度的因素上：量測(cè)設(shè)定時(shí)間、量測(cè)執(zhí)行時(shí)間、資料處理時(shí)間、以及資料傳輸時(shí)間。在RF 和微波的頻率，設(shè)定時(shí)間中非常重要的一環(huán)就是DUT 或測(cè)試系統(tǒng)在每次變更(例如切換器的開或閉、功率位準(zhǔn)改變)之后， 所需的穩(wěn)定時(shí)間(settling time)。

穩(wěn)定一致性對(duì)任何測(cè)試系統(tǒng)來說，每一次的測(cè)試以及每天的測(cè)試都能產(chǎn)生一致的結(jié)果是非常重要的。然而，穩(wěn)定佳并不代表精確度也高，因?yàn)榫_度會(huì)取決于個(gè)別儀器的效能，而穩(wěn)定指的是無論明訂的準(zhǔn)確度為何，所量測(cè)到的結(jié)果都是一致的。就每一部?jī)x器而言，穩(wěn)定可能會(huì)因某些量測(cè)或模式而異，因此查看產(chǎn)品的規(guī)格或詢問制造商是很重要的。在某些程度內(nèi)，透過更多次的平均，或修改演算法以準(zhǔn)確地逼近符合標(biāo)準(zhǔn)量測(cè)方法所得到的結(jié)果，將可以提高穩(wěn)定。將量測(cè)設(shè)定(如中心頻率、頻距和衰減位準(zhǔn))的改變次數(shù)減到最少，可以達(dá)到最佳的穩(wěn)定一致性。

■三者的關(guān)系概述

DUT 的測(cè)試要求和商業(yè)上的考量可以協(xié)助您評(píng)估效能、速度與穩(wěn)定之間的相對(duì)重要性，一旦您確立了首要的考量條件及其要求的高低程度后，就比較容易理出彼此的關(guān)系及其對(duì)系統(tǒng)的影響。表1、表2 和表3 分別就兩種狀況：首要考量條件的要求為高或低，摘要整理了相互間的影響關(guān)系。

表1：以效能為首要的考量條件時(shí)，最重要的相互影響因素是效能和速度。

表2：以速度為首要的考量條件時(shí)，最重要的關(guān)系在于速度和穩(wěn)定。

表3：以穩(wěn)定一致性為首要的考量條件時(shí)，最重要的關(guān)系也是穩(wěn)定一致性和速度。

穩(wěn)定與效能

在表1 和表3 中，穩(wěn)定與效能之間有一個(gè)重要的第二層關(guān)系，這是由量測(cè)不確定度所串起的一種間接關(guān)系。面對(duì)不確定度時(shí)，有些系統(tǒng)開發(fā)人員會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)“誤差量”(error budget)，其大小取決于測(cè)試要求與系統(tǒng)不確定度之間的差距。影響不確定度的兩大主要因素是絕對(duì)準(zhǔn)確度(儀器的效能)和量測(cè)一致性(穩(wěn)定)。如果系統(tǒng)中的儀器具有很高的絕對(duì)準(zhǔn)確度，那么誤差量中就有較大的空間可以容忍較低的穩(wěn)定。如果儀器可以提供一致的結(jié)果，那么誤差量中也會(huì)有較大的空間可以容忍較低的絕對(duì)準(zhǔn)確度。

多項(xiàng)要求皆“高”

若要滿足“高速與高穩(wěn)定”或“高效能與高速”這類多重的要求，可能就需要使用復(fù)雜精密的儀器，其價(jià)格相較于能力較差的設(shè)備自然會(huì)稍微高一些。不過，許多高性能的儀器中可能會(huì)內(nèi)建硬件加速器，可以加快一些耗時(shí)的作業(yè)，如平均計(jì)算和校準(zhǔn)。有些機(jī)種也可能包含多種演算法，可以計(jì)算諸如相鄰頻道功率(ACP)等參數(shù)。如果全部三項(xiàng)要求皆“高”，就必須仔細(xì)檢查系統(tǒng)的每一個(gè)部份-測(cè)試設(shè)備、切換子系統(tǒng)、纜線、接頭等。最佳的解決方案很可能價(jià)格也不低，但可以提供一些額外的功能和優(yōu)點(diǎn)。

秘訣二：審視DUT 的本質(zhì)和特性

典型的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)可以執(zhí)行三項(xiàng)基本的任務(wù)：提供信號(hào)源、進(jìn)行量測(cè)、以及進(jìn)行切換，至于該使用哪一種信號(hào)產(chǎn)生器、功率錶、頻譜分析儀、網(wǎng)路分析儀、切換矩陣(switch matrix)和纜線，則取決于DUT 的電性和機(jī)構(gòu)屬性。在RF 和微波的頻率，有一些基本的特性需要特別留意。

■電性參數(shù)

DUT 的基本性質(zhì)是主要的考量：它是被動(dòng)和線性的，或是主動(dòng)和非線性的?被動(dòng)的線性元件較容易處理，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡麄€(gè)工作頻寬范圍內(nèi)所有允許的輸入功率位準(zhǔn)下，增益和相位偏移量一般都是固定的。相反地，主動(dòng)元件就需要格外謹(jǐn)慎，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂蟹蔷€性的工作區(qū)域，對(duì)輸入功率相當(dāng)敏感，可能會(huì)在不同的位準(zhǔn)產(chǎn)生不同的結(jié)果。如此一來，可能就需要在測(cè)試系統(tǒng)中加入放大器或衰減器，以精確地控制功率位準(zhǔn)，而且也許還要加入耦合器，將輸入到DUT 的功率位準(zhǔn)分一些出來并確認(rèn)是否正確。這些額外加入的東西千萬不能輕忽：在高頻下，每一個(gè)系統(tǒng)組成要件都具有復(fù)數(shù)的阻抗值(伴隨有S參數(shù))，而且每多一項(xiàng)連接就有可能與DUT 產(chǎn)生不必要的相互影響。

•避免不匹配：任何連接線的阻抗不匹配

都可能造成注入損耗(insertion loss)，而損耗掉信號(hào)源或量測(cè)信號(hào)的一些功率。眾所周知，在高頻下功率是很昂貴的，而且如果必須在很廣的頻率范圍提供所需功率的話，還會(huì)變得更加昂貴。秘訣：使用精確度高的纜線和配件，且要使用向量式網(wǎng)路分析儀(VNA)充分量測(cè)纜線和配件的實(shí)際阻抗，特別是如果DUT 是主動(dòng)元件的話。

•將VSWR 降到最低

切換矩陣加上其接頭、內(nèi)部和外部纜線、甚至是任何RF 纜線的彎曲半徑等組合，可能因DUT 的電壓駐波而產(chǎn)生誤差。秘訣：若要將這項(xiàng)誤差減到最小，可以使用電壓駐波比(VSWR)規(guī)格為1：2：1 或更佳的切換矩陣。

•增加隔離度

如果您的測(cè)試需要同時(shí)量測(cè)高位準(zhǔn)和低位準(zhǔn)的信號(hào)，則切換矩陣的隔離度規(guī)格將會(huì)影響量測(cè)的正確性。秘訣：如果通過DUT 的路徑有很多條，可以使用信號(hào)產(chǎn)生器和頻譜分析儀，盡可能地量測(cè)出隔離度的特性。如果無法做到這一點(diǎn)，則系統(tǒng)在配置和設(shè)定時(shí)，應(yīng)該將高位準(zhǔn)和低位準(zhǔn)的信號(hào)繞接到不相鄰的路徑上，或繞經(jīng)不同的切換器。

■機(jī)構(gòu)屬性

另外一組需要考量的細(xì)節(jié)是信號(hào)和電源(交流電或直流電)接頭的數(shù)量和類型，這會(huì)影響所需的切換矩陣大小，以及系統(tǒng)接線的復(fù)雜度等因素。秘訣：使用埠數(shù)足夠的切換矩陣，一次就可以接好系統(tǒng)到DUT 的所有連接，這樣一來，就可以將等待信號(hào)穩(wěn)定所需的延遲時(shí)間縮到最短，并且將功率位準(zhǔn)突然改變而損壞切換矩陣或DUT 的機(jī)率降到最低。

秘訣三：瞭解、量測(cè)及修正RF 信號(hào)路徑的特性

如果沒有經(jīng)過額外的修正，產(chǎn)品的規(guī)格最多只能延伸到位于儀器輸入和輸出接頭上的“校準(zhǔn)”(calibration plane)而已。若要得到準(zhǔn)確又穩(wěn)定一致的量測(cè)結(jié)果，以及修正過的DUT 結(jié)果，我們建議將校準(zhǔn)面往外推，盡可能地靠近DUT。不論路徑是被動(dòng)或主動(dòng)的，DUT 是位在本端或遠(yuǎn)端，都有幾種方法可以做到。

■被動(dòng)路徑的處理方式

被動(dòng)元件在整個(gè)頻寬范圍內(nèi)所有允許的輸入功率位準(zhǔn)下，都有固定的增益和相位偏移量。然而，沿著被動(dòng)路徑所接出去的每一條接線上可能會(huì)有阻抗不匹配的情形，因而造成注入損耗和相位偏移(或延遲)。在高頻下，連簡(jiǎn)單的被動(dòng)元素也會(huì)變成復(fù)雜的傳輸線元素，無法直接將路徑上的損耗和相位偏移用簡(jiǎn)單的代數(shù)法相加得出。秘訣：使用VNA 來量測(cè)整個(gè)相連的路徑或分析每一項(xiàng)元素的S 參數(shù)特性，并使用向量學(xué)來模擬整個(gè)路徑的總損耗和相位偏移量。這些數(shù)值可以儲(chǔ)存在系統(tǒng)的PC 中，并且視需要予以套用，以修正量測(cè)結(jié)果，或者供網(wǎng)路分析儀使用，例如用來即時(shí)地調(diào)整濾波器和其他變動(dòng)的DUT。

■修正主動(dòng)的路徑

主動(dòng)元件的效能會(huì)隨著輸入功率的改變而不同，若要提高量測(cè)的準(zhǔn)確度，其做法會(huì)取決于元件是在其線性或非線性的響應(yīng)區(qū)內(nèi)工作。如果一個(gè)主動(dòng)元件(如放大器)在校準(zhǔn)和量測(cè)作業(yè)期間，是在遠(yuǎn)低于其1 dB 壓縮點(diǎn)的線性區(qū)內(nèi)工作，則可以在該區(qū)內(nèi)的任何功率位準(zhǔn)下進(jìn)行準(zhǔn)確的修正。

秘訣：如果主動(dòng)元件是在其非線性的響應(yīng)區(qū)內(nèi)工作，則校準(zhǔn)時(shí)也必須使用量測(cè)用的功率位準(zhǔn)，以確保能夠做準(zhǔn)確的修正。如果需要在非線性模式下，于多個(gè)功率位準(zhǔn)進(jìn)行量測(cè)，那么也必須在每一個(gè)位準(zhǔn)下分別進(jìn)行校準(zhǔn)，并儲(chǔ)存起來供日后使用。

秘訣：在DUT 的頻率范圍內(nèi)，檢查主動(dòng)元件的頻率響應(yīng)。同樣地，您應(yīng)該在特定的功率位準(zhǔn)下量測(cè)整個(gè)路徑，或是分析每一個(gè)介面的S 參數(shù)特性，并使用向量學(xué)，產(chǎn)生一個(gè)可以在事后套用或即時(shí)套用的模型。

秘訣：為了簡(jiǎn)化量測(cè)和修正RF 信號(hào)路徑特性的作業(yè)，有些系統(tǒng)開發(fā)人員會(huì)盡可能少用主動(dòng)元件，這樣做可以減