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高频时代来临 网路分析仪的首要挑战
落实务实化量测

【作者: 王岫晨】2019年06月06日 星期四

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任何通讯系统都必须考虑信号失真的影响。通常工程师只考虑非线性效应所引起的失真,例如当所应用的载波信号引起交互调变失真时。但纯粹的线性系统也可能导入信号失真。由於线性系统可能改变信号各个频谱分量的振幅或相位关系,因而也可能改变所传递之信号的时间波形。因此,必须仔细研究线性特性和非线性特性的差别。



图一 : 通讯系统的信号失真将导致重大影响。线性系统可能改变信号各个频谱分量的振幅或相位关系,因此必须仔细研究线性特性和非线性特性的差别。
图一 : 通讯系统的信号失真将导致重大影响。线性系统可能改变信号各个频谱分量的振幅或相位关系,因此必须仔细研究线性特性和非线性特性的差别。

线性元件使得输入信号产生振幅和相位变化,在输入端出现的任何正弦曲线,也将以相同频率出现在输出端,而不会形成新信号。无论是主动或是被动非线性元件,都可能使输入信号的频率偏离原来的位置,或增加其它频率分量,如谐波信号或寄生信号。过大的输入信号,通常会迫使线性元件进入压缩或饱和状态,进而引起非线性工作。


通讯系统之量测要求

为了进行线性无失真的传输,待测物(DUT)在所要求的整个频宽内,其振幅响应必须是平坦的,而相位响应则须呈线性。举例来说,研究经过带通滤波器时,含有丰富高频分量的方波信号。该带通滤波器以很小的衰减,让选定的频率通过,而通道之外的频率,则有不同程度的衰减作用。即使滤波器具有线性相位效能,方波的频外分量也将受到衰减,使得输出信号在本质上更具正弦属性。



图二 : 线性特性和非线性特性的比较
图二 : 线性特性和非线性特性的比较

如果在某一滤波器中透过相同的方波输入信号,仅造成第3次谐波的相位倒置,而维持谐波振幅不变,则输出波形将更呈现出脉冲特性。一般来说,这种情况仅适用於本例中的滤波器,输出波形将依据振幅和相位的非线性情况,呈现出任意形式的失真。


非线性元件也会导入失真。例如当放大器被过度激发,由於放大器趋於饱和,将导致输出信号限幅。输出信号不再是一个纯正的正弦信号,在输入频率的各个倍频位置均存在谐波。被动元件在高功率位准上,也可能呈现非线性特性。使用具有电磁电感器的LC滤波器是最隹范例。磁性材料常常呈现出高度非线性的滞磁效应。


高效率传送功率是通讯系统的另一个基本问题。为了高效率地传送、发射或接收射频功率,传输线、天线和放大器等元件都须呈现与信号源的优异阻抗匹配。当两个连接元件之间的输入与输出阻抗之实部和虚部都达不到理想状态,便出现阻抗不匹配。


向量量测的重要性

对各个分量的振幅和相位进行量测的重要性,源於以下几个因素。首先,为了全面分析线性网路的特性,并确保无失真传输,工程师必须进行这两种量测。其次,为了设计高效率匹配网路,工程师必须量测复阻抗。最後,开发电脑辅助工程(CAE)电路模拟程式模型的工程师,需要振幅和相位资料来进行精确类比。


为了执行傅氏逆变换,时域特性分析也需要振幅和相位资讯。藉由消除固有量测系统误差的影响来提高量测准确度的向量误差修正,同样也需要振幅和相位资料,来建立有效误差模型。即便是纯量量测(如回返损耗),为了获得高准确度,相位量测能力也十分重要。


入射功率和反射功率的基本概念

最基本的网路分析是量测沿着传输线行进的入射波、反射波和传输波。利用光波长作为类比,当光投射到一个透明的透镜上时(入射能量), 一部分光从透镜表面反射,但大部分光继续通过透镜(传输能量)。若透镜具有镜面,则大部分光将被反射,只有极少量或完全没有光通过透镜。


虽然射频信号和微波信号的波长不相同,但原理是一样的。网路分析仪能精确量测入射能量、反射能量和传输能量。例如,在传输线上发送的能量,沿传输线反射回发射源的能量(由於阻抗不匹配),以及顺利地传送至终端装置(如天线)的能量。


史密斯图

对元件进行特性分析时所出现的反射大小,取决於入射信号「所看到的」阻抗。由於任何阻抗都能用实部和虚部表示,故可以将它们绘制在所谓复阻抗平面的直线网路上。只不过开路(一种常见的射频阻抗)在实轴上表现为无限大,因而无法表示出来。



图三 : 史密斯图
图三 : 史密斯图

极座标图由於包括了整个阻抗平面,因而具有重要使用价值。然而,它并不直接绘出阻抗曲线,而是以向量形式显示出复反射系数。由於复阻抗与反射系数两者之间有相对应的关系,故复阻抗平面的正实半部分,可以映射到极座标显示上,结果便形成了史密斯图。


在史密斯图上,??定电阻的轨迹表现为圆,而??定电抗的轨迹表现为圆弧。史密斯图上的阻抗,是指对所考察的元件或系统的特性阻抗进行归一化後的阻抗。对射频和微波系统来说,特性阻抗通常是50欧姆,而对广播和有线电视系统而言,特性阻抗则为75欧姆。理想的终端位於史密斯图的中心。


网路分析的名词术语

理解了电磁波的一些基本知识之後,我们还须掌握量测所用的常用术语。在网路分析仪的名词术语中,一般用R或叁考通道表示量测入射波。反射波用A通道量测,而传输波则用B通道量测。利用这些波中的振幅和相位资讯,便能定量描述待测物(DUT)的反射和传输特性,反射和传输特性可以表示为向量(振幅和相位)、纯量(只有振幅),或只有相位的量。


例如,回返损耗是反射的纯量量测,而阻抗则是向量反射量测。比值量测法可以让我们在进行反射和传输量测时,不会因为绝对功率和来源功率随频率变化而受到影响。反射量的比值常常表示为A/B,而传输量的比值表示为B/R,它们与仪器中的量测通道有关。



图四 : 高频元件特性的常用术语
图四 : 高频元件特性的常用术语

传输系数定义为被传输的电压除以入射电压,若被传输电压的绝对值大於入射电压的绝对值,则认为待测物或系统具有增益。若被传输电压的绝对值小於入射电压的绝对值,则认为待测物或系统具有衰减或??入损耗。传输系数的相位部分称为??入相位。


通常,直接考察??入相位并不能提供有用资讯。这是因为由於待测物的电长度,使??入相位相对於频率具有很大的(负)斜率。该斜率正比於待测物的电长度。由於与线性相位的这一偏差是唯一能引起通讯系统失真的原因,故要求去掉相位响应的线性部分,以便对於馀下的非线性部分进行分析。为此,可以利用网路分析仪的延迟特性自动抵消待测物的平均电长度。


(本文叁考资料:向量网路分析的基本原理)


解决方案

太克科技TTR500系列向量网路分析仪


图五 : 太克科技TTR500系列向量网路分析仪
图五 : 太克科技TTR500系列向量网路分析仪source:tektronix.com

太克科技:「这款仪器拥有卓越的功能支援和品质,兼具易用性和经济性!」


Tektronix TTR500系列双连接埠、双路径向量网路分析仪是新推出的突破性产品,拥有绝隹的量测效能和便利性!凭藉Tektronix一贯的准确性和可信度,在获得日常量测能力的同时兼顾您的预算。TTR500提供领先业界的价格和效能,从100kHz至6GHz的频率范围。由於超过122分贝动态范围和低於0.008分贝RMS轨迹杂讯,TTR500的效能类似於昂贵的传统工作台VNA。TTR500A系列VNA包括一系列技术和专利进展,可让我们在射频效能、尺寸、可靠与成本之间扭转许多传统的衡量标准。


是德科技PNA网路分析仪


图六 : 是德科技PNA网路分析仪
图六 : 是德科技PNA网路分析仪source:keysight.com

是德科技:「无论是在工作台、机架中,或是野外,我们可全面增强您的量测自信度!」


世界各地超过70%的工程团队全都选择使用是德科技分析仪,因为我们可协助您:使用PNA-X/PNA/PNA-L获得卓越性能(高达120GHz,使用展频器可扩展至1.5 THz)。使用展频器,PNA和PNA-X频率可扩展到1.5THz。共有3个PNA系列可供选择,以获得速度、效能和价格的完美组合。在研发阶段提供一流的量测完整性,以协助您将深入的洞察力转变成出色的设计;在生产线上提供您需要的测试速率和可重复性,以便将卓越设计转变成具竞争力的产品;每一款机型都是是德科技线性和非线性元件特性分析专业知识的结晶。


R&S ZNA新一代高阶向量网路分析仪


图七 : R&S ZNA新一代高阶向量网路分析仪
图七 : R&S ZNA新一代高阶向量网路分析仪source:R&S.com

罗德史瓦兹:「这款仪器具有出色的射频性能和独特的硬体设计概念!」


罗德史瓦兹(R&S)推出R&S ZNA新一代高阶向量网路分析仪,可简化量测设置。其出色的量测稳定性和低量测曲线杂讯让使用者能够对主动和被动元件和模组进行严格的量测。凭藉以待测物为中心的操作方式、全球第一款完全采用触控操作的创新设计,R&S ZNA 向量网路分析仪可将量测的设置时间缩到最短。


R&S ZNA高阶向量网路分析仪是一款功能强大的通用测试平台,用於量测主、被动待测物之特性。R&S ZNA目前共有两种型号R&S ZNA26 (10 MHz至26.5 GHz) 及R&S ZNA43 (10 MHz至43.5 GHz) ,提供146 dB (一般值)的量测动态范围,在1 kHz中频(IF)频宽下的曲线杂讯低至0.001 dB。这两个优异的特点对於高抗拒滤波器的量测至关重要。


NI向量网路分析仪(VNA)


图八 : NI向量网路分析仪(VNA)
图八 : NI向量网路分析仪(VNA)source:ni.com

国家仪器:「PXI向量网路分析仪可提供高准确度且迅速的RF量测效能。」


NI向量网路分析仪(VNA)为10MHz~6GHz的完整向量网路分析系统。PXI向量网路分析器配备2个连接埠,因此可以择一选用T/R测试模组或是完整的S叁数功能。PXI向量网路分析器支援自动化精确校准、完整向量分析与叁考平面扩充,因此适合做为检验与生产作业的向量网路分析解决方案,并省下传统桌上型VNA的高价位与庞大体积。这些模组可顺畅整合至测试系统中,以提供高准确度且迅速的RF量测效能。预先设定的NI向量网路分析仪(VNA)入门组合,包含NI PXIe-5630向量网路分析仪(VNA)与所有必备的硬体元件,可为向量网路分析作业建立完整的解决方案。


安立知2埠E-band向量网路分析仪


图九 : 安立知2埠E-band向量网路分析仪
图九 : 安立知2埠E-band向量网路分析仪图片来源:anritsu.com

安立知:「这是最经济的高频测试解决方案!」


安立知的ShockLine系列拥有2埠的E-bandVNA机种,这是透过安立知的VNA技术,整出两个升频的模组。安立知透过自身的技术,让双埠VNA可以直接拥有E-band功能,并可从原本支援的60~70GHZ,延伸到55~92GHZ,这也是目前市面上2埠到4埠VNA机型中,最经济的量测解决方案。特别是在60GHZ这个频段,现在常用的高解析影像,就是使用60GHZ这个频段。如果频率再往上的话,就可以看到无线通讯应用的新趋势,也就是点对点的微波系统,这将会从Ka-Band升频到大概80GHZ附近的频率。而这款E-BAND专用的VNA可以直接提供客户量测该频段设备的能力。


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