精密測(cè)量促進(jìn)了元件和系統(tǒng)的不斷完善

射頻(RF)/微波網(wǎng)絡(luò)分析儀促進(jìn)了高頻元件及其設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。測(cè)量電路和器件的傳輸、反射和阻抗特性的能力使工程師們能優(yōu)化放大器、變頻器、信號(hào)分離和濾波器件以及其它元件的性能。通信和國(guó)防系統(tǒng)的性能主要取決于這些元件及其測(cè)試系統(tǒng)的性能。 回顧過(guò)去 20世紀(jì)40年代和50年代，大多數(shù)高頻通信系統(tǒng)都采用電子管(速調(diào)管、磁控管)和調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)技術(shù)。一些原始的信號(hào)發(fā)生器、功率檢波器和阻抗電橋被用來(lái)測(cè)量上述元件的傳輸、反射和阻抗特性，使之能制作出成功的系統(tǒng)。為了繪制一個(gè)現(xiàn)代史密斯圖(Smith chart)，每次一個(gè)頻率要進(jìn)行數(shù)小時(shí)繁瑣的手動(dòng)調(diào)諧測(cè)量。當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)分析儀是掃頻標(biāo)量分析儀，結(jié)合繁瑣的逐點(diǎn)重繪器件的相對(duì)相位特性。

到60年代，半導(dǎo)體技術(shù)方興未艾?；诎雽?dǎo)體二極管的取樣器成為儀器的基本組成部分。這些取樣器用來(lái)對(duì)波形取樣，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行相對(duì)幅度和相位測(cè)量?；诜挡ㄕ袷幤鞯念l率捷變信號(hào)源允許在寬頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。能進(jìn)行掃頻幅度和相位測(cè)量的第一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀是建立在8405型矢量電壓表基礎(chǔ)上的8407*型射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀。它允許比較兩個(gè)波形的幅度和相位，但只能工作到110 MHz。

圖1. 8410型網(wǎng)絡(luò)分析儀

1967年，HP公司(Agilent Technologies的前身)推出了將掃頻能力擴(kuò)大到12 GHz的8410網(wǎng)絡(luò)分析儀。這是基于通過(guò)組合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析功能的多個(gè)機(jī)箱的臺(tái)式系統(tǒng)(圖1)。當(dāng)時(shí)，S參數(shù)的概念剛開(kāi)始流行。它將傳輸、反射和阻抗轉(zhuǎn)化成了能夠迅速測(cè)量和觀測(cè)的單個(gè)圖像。這是高頻設(shè)計(jì)中的變革，使工程師們能著手用剛開(kāi)始提供的新型高頻半導(dǎo)體器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些器件的優(yōu)勢(shì)具有一定的伸縮性。如果設(shè)計(jì)和測(cè)量手段不能使設(shè)計(jì)人員最大限度地挖掘這些新器件的潛力，那么它們的應(yīng)用便可能大打折扣。為了從器件中獲得最佳性能，合理測(cè)量的互動(dòng)和步驟提示有助于推動(dòng)設(shè)計(jì)和測(cè)量的不斷向前發(fā)展。

到70年代，計(jì)算機(jī)面市，從而擴(kuò)大了儀器能力(圖2)。8452自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)運(yùn)而生。這種大型三機(jī)柜系統(tǒng)為電路設(shè)計(jì)人員帶來(lái)誤差修正數(shù)學(xué)處理功能、脈沖測(cè)量功能和其它功能?？墒牵撓到y(tǒng)占用了三個(gè)儀器機(jī)柜?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀可以用單一臺(tái)式機(jī)箱實(shí)現(xiàn)所有這些功能。 1976年推出了8505首臺(tái)集成的、微處理器控制的網(wǎng)絡(luò)分析儀。這類網(wǎng)絡(luò)分析儀在一個(gè)臺(tái)式機(jī)箱內(nèi)包含合成信號(hào)源、接收機(jī)、測(cè)試裝置和顯示器，并工作到1.3 GHz。

80年代中期，寬帶固態(tài)信號(hào)源，經(jīng)改進(jìn)的取樣器和微處理器三者的結(jié)合，形成三種十分重要的產(chǎn)品，即8510、8753和8720矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)。8510網(wǎng)絡(luò)分析儀(圖3)成為微波測(cè)量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，并促成元件設(shè)計(jì)的許多改進(jìn)。正當(dāng)對(duì)第一代蜂窩電話的要求不斷提高時(shí)，8753網(wǎng)絡(luò)分析儀(圖4)走向市場(chǎng)。8753是首次全誤差修正的射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀。由于它的低價(jià)格和強(qiáng)大功能，故很快成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛用于無(wú)線電元件制造中，正如8510和8720成為航空和雷達(dá)元件研發(fā)制造中的主要支柱一樣。

圖2. 8452自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)

圖3. 8510網(wǎng)絡(luò)分析儀

圖4. 8753網(wǎng)絡(luò)分析儀

與此同時(shí)，涌現(xiàn)出了供高頻設(shè)計(jì)人員使用的首批商用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具。模擬和測(cè)量之間的相互促進(jìn)，縮短了設(shè)計(jì)周期并增加了功能。這時(shí)涌現(xiàn)出的首款商用微波集成電路曾得到過(guò)這種測(cè)量和模擬功能的巨大幫助。8720是首批全集成(單機(jī))微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，它在8542推出之后20年嵌入了8542自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀(ANA)的大多數(shù)功能。

90年代，無(wú)線電器件的發(fā)展經(jīng)歷了巨大繁榮。這是同時(shí)具有成本壓力和制造量的第一個(gè)高頻用戶市場(chǎng)。網(wǎng)絡(luò)分析儀(曾經(jīng)的研發(fā)工具)成為主流制造設(shè)備。測(cè)量速度變得十分重要。在此期間，推出了84000射頻集成電路(RFIC)測(cè)試儀(圖5)。這是一種多功能極快的網(wǎng)絡(luò)分析儀。在某些方面，正如70年代8542自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀的情況一樣，這種多機(jī)箱集成電路測(cè)試系統(tǒng)引入了一些新功能。它們被融入到現(xiàn)在和未來(lái)的臺(tái)式網(wǎng)絡(luò)分析儀中。

圖5. 84000射頻集成電路測(cè)試系統(tǒng)

當(dāng)前的技術(shù)

自2000以來(lái)，射頻和微波器件的集成度急劇提高。新集成度對(duì)測(cè)試設(shè)備提出了新的要求。這便導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分析儀從2端口掃頻測(cè)量?jī)x器演變?yōu)榫哂懈鼜V泛能力的網(wǎng)絡(luò)分析儀。早在20世紀(jì)90年代末，商用射頻元件已開(kāi)始利用平衡(差動(dòng))結(jié)構(gòu)，以充分利用較低的功率要求和更高的隔離度。2001年，推出了4端口E5071AENA網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這類器件的關(guān)鍵改進(jìn)。圖6示出最新的機(jī)型(E5071C)。

圖6. Agilent E5071C型ENA網(wǎng)絡(luò)分析儀

這樣便提供了模擬的平衡-不平衡和混合模S參數(shù)，將平衡式測(cè)量完全引入射頻領(lǐng)域，到2006年，對(duì)平衡測(cè)量的測(cè)試需求向微波領(lǐng)域延伸，利用PNA系列中的解決方案能提供高達(dá)67 GHz的這種能力。無(wú)疑，需要將這些技術(shù)擴(kuò)展到更高的頻率。

無(wú)線電設(shè)計(jì)的新集成度有可能將許多這類元件(平衡和單端元件)組合為具有大量輸入/輸出(I/O)端口的封裝集成電路。盡管這類元件的總響應(yīng)必須滿足與包含分立元件的設(shè)計(jì)相同的準(zhǔn)則，但集成電路中個(gè)別元件的性能、特別是在隔離度方面可能變壞。因此，十分重要的是，I/O端口應(yīng)適當(dāng)端接，且應(yīng)考慮每個(gè)端口的失配影響。我們可以組合2端口甚至4端口修正測(cè)量，但這要求適當(dāng)端接每個(gè)其它端口。測(cè)量次數(shù)以N2的方式增加。在利用較多的端口數(shù)時(shí)，這種方法將很快變得不切實(shí)際。

最近，已推出能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)分析儀端口數(shù)的新一代測(cè)試儀。這些N端口系統(tǒng)(圖7)利用內(nèi)部開(kāi)關(guān)和耦合器實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀與分析儀的無(wú)縫隙組合，給出能直接與2端口或4端口系統(tǒng)相比擬的N端口測(cè)試儀性能。此時(shí)，N端口網(wǎng)絡(luò)分析儀的8端口和12端口式與16端口和32端口系統(tǒng)均能同時(shí)供貨。

圖7. PNA多端口系統(tǒng)

若按常規(guī)方式校準(zhǔn)這類儀器十分費(fèi)時(shí)。不過(guò)，已擬訂出一些能縮短校準(zhǔn)過(guò)程的方法，包括利用電子校準(zhǔn)模塊(Ecal)，它在不影響測(cè)量質(zhì)量的情況下只用N個(gè)連接步驟來(lái)提供已校測(cè)量的全NxN矩陣。傳統(tǒng)的機(jī)械校準(zhǔn)則要求多于N2個(gè)步驟。

除傳統(tǒng)的S參數(shù)測(cè)量之外，許多集成元件還要求對(duì)噪聲和失真特性進(jìn)行表征的內(nèi)部放大器。目前的測(cè)量解決方案是用于多個(gè)測(cè)試設(shè)備的一次連接，但將這些先進(jìn)功能進(jìn)一步組合到單一平臺(tái)是不可避免的。20世紀(jì)90年代的84000測(cè)試儀擁有許多這樣的功能。就像網(wǎng)絡(luò)分析儀從8542演變?yōu)?720一樣，我們看到體現(xiàn)84000大部分功能的新型臺(tái)式儀器的出現(xiàn)。對(duì)這些元件分析儀提出的要求是，為各種的需要提供足夠滿意的測(cè)量手段。網(wǎng)絡(luò)分析儀要求一個(gè)極快的掃頻源，但這從根本上是與構(gòu)建一個(gè)為互調(diào)測(cè)量所要求的有良好相位噪聲和低失真的信號(hào)源相矛盾。

通過(guò)采用窄接收機(jī)帶寬所取得的網(wǎng)絡(luò)分析儀的寬動(dòng)態(tài)范圍則與噪聲測(cè)量所要求的寬帶寬相矛盾。所有這些使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化，因?yàn)樵S多移動(dòng)通信系統(tǒng)都是時(shí)域雙工系統(tǒng)而要求進(jìn)行脈沖測(cè)量。這類設(shè)備可能包括變頻以及平衡輸入或輸出。所有這些要求必須在不放棄快速測(cè)量吞吐量的決定性要求下予以滿足。

最后，上述測(cè)量中的每項(xiàng)測(cè)量都必須校準(zhǔn)，以確保一致、可重復(fù)和可溯源的結(jié)果。安捷倫的新型PNA-X型網(wǎng)絡(luò)分析儀已具備解決這些任務(wù)的基本條件。PNA-X(圖8)引導(dǎo)向增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)分析儀功能方向的轉(zhuǎn)化，以包括超出傳統(tǒng)S參數(shù)范圍的測(cè)量。

圖8. PNA-X元器件分析儀

展望未來(lái)

將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析儀與更復(fù)雜的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合的協(xié)同作用，改善了測(cè)量結(jié)果的總精度和校準(zhǔn)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀功能允許對(duì)測(cè)試設(shè)備與被測(cè)件之間的失配和互作用進(jìn)行表征。同時(shí)，激勵(lì)的類型正演變到包括復(fù)合調(diào)制、噪聲甚至直流驅(qū)動(dòng)。被測(cè)的響應(yīng)變得更加復(fù)雜，要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善的后處理。因此，將多功能元件集合到單一被測(cè)件中會(huì)推動(dòng)將多功能測(cè)試集合到單一的相干測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展。

一些新應(yīng)用軟件，如PNA中的變頻器應(yīng)用軟件(它提供了首次完全經(jīng)修正的矢量混頻器校準(zhǔn))將繼續(xù)改進(jìn)，并擴(kuò)大到諸如帶嵌入本振的變頻器和數(shù)字射頻測(cè)量這樣一些領(lǐng)域。元件對(duì)一個(gè)端口具有數(shù)字接口，而對(duì)另一個(gè)端口則具有射頻接口。這類元件要求目前的邏輯分析儀和協(xié)議分析儀同射頻信號(hào)源和頻譜分析儀相結(jié)合。

正如通信網(wǎng)絡(luò)正向分布式發(fā)展那樣，存在著使測(cè)試分布在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的推動(dòng)力。為了對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行維修和支持，需要便攜式和手持式儀器。這些小型儀器需要具有以前只在多機(jī)箱系統(tǒng)中才存在的功能。多機(jī)箱系統(tǒng)的功能需分布在整個(gè)被設(shè)立在遠(yuǎn)處的網(wǎng)絡(luò)上，也許甚至要嵌入其中。一些技術(shù)(如IEEE Standard 1588標(biāo)準(zhǔn)“精密時(shí)間協(xié)議”)將允許在這類網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與觸發(fā)同步。

人們也許試圖作出對(duì)參數(shù)測(cè)試的需要可能會(huì)消失的結(jié)論。為什么對(duì)每個(gè)元件不進(jìn)行功能測(cè)試?事實(shí)上，盡管功能測(cè)試將提供在生產(chǎn)進(jìn)程末端可能采用方便的合格/不合格測(cè)試，但一些必須加以驗(yàn)證的功能可能會(huì)變得如此復(fù)雜，以致為確保每個(gè)裝置工作在所有環(huán)境下而使真正的功能測(cè)試不切實(shí)際。例如，一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)的輸入濾波器設(shè)計(jì)用于去除干擾信號(hào)。檢驗(yàn)存在其它信號(hào)時(shí)系統(tǒng)是否正確的功能測(cè)試可能意味著要構(gòu)建各種可能的干擾信號(hào)場(chǎng)景，并對(duì)誤碼率(BER)進(jìn)行測(cè)試。檢驗(yàn)這種系統(tǒng)的更有效的方法可能是將掃描正弦信號(hào)加到系統(tǒng)的輸入端，并確定系統(tǒng)的截止特性。但是，隨著元件之間的界面變得更難于接近，將需要確認(rèn)設(shè)計(jì)和控制制造進(jìn)程的新方法。

目前，有可能將Agilent邏輯分析儀嵌入到FPGA設(shè)計(jì)中。今后，只要能對(duì)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，那么，復(fù)雜的激勵(lì)/響應(yīng)功能乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀都有可能直接設(shè)計(jì)到射頻電路中。隨著元件之間的界面變得更加復(fù)雜以及更難探測(cè)，組合元件測(cè)試似乎可能是檢驗(yàn)未來(lái)若干代射頻和微波系統(tǒng)唯一合乎邏輯的解決方案。 結(jié)束語(yǔ) 我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到元件和網(wǎng)絡(luò)分析儀的相互促進(jìn)有助于加速技術(shù)進(jìn)步。展望未來(lái)，這種相互提攜現(xiàn)象還是會(huì)不斷在模擬過(guò)程中發(fā)生，并將測(cè)試嵌入在芯片自身內(nèi)部。網(wǎng)絡(luò)分析儀將用來(lái)確定芯片組成部分的基本特性，利用模擬引擎檢驗(yàn)芯片和嵌入的測(cè)試儀器設(shè)計(jì)。

在電子器件以外甚至小到納米尺度的材料特性測(cè)量領(lǐng)域，激勵(lì)/響應(yīng)表征特性的方式(網(wǎng)絡(luò)分析儀的長(zhǎng)處)也存在著不小的機(jī)遇。這些新應(yīng)用和新測(cè)量的涌現(xiàn)將使網(wǎng)絡(luò)分析儀在今后許多年都能位于重要的地位。

網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)簡(jiǎn)史 Ken Wang

網(wǎng)絡(luò)分析儀(即矢量測(cè)量?jī)x器)擁有應(yīng)用誤差修正技術(shù)來(lái)改善其精度的獨(dú)特能力。最初，利用短路方式來(lái)建立反射幅度的最大電平。精密傳輸線、滑動(dòng)負(fù)載和滑動(dòng)短路器被用作阻抗標(biāo)準(zhǔn)。精密衰減器，如活塞式衰減器和旋轉(zhuǎn)翼片可變衰減器，用來(lái)建立傳輸損耗參考電平。潤(rùn)滑脂筆等用來(lái)在CRT顯示器上或儀表顯示器上標(biāo)出參考電平。這類校準(zhǔn)方法能消除某些標(biāo)量誤差。8407和8410掃頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使之能修正某些矢量誤差。8542使全矢量誤差修正首次成為可能。還可能使一些非理想標(biāo)準(zhǔn)，如開(kāi)路標(biāo)準(zhǔn)，由器件模型定義。短路-開(kāi)路-負(fù)載-直通校準(zhǔn)已全面啟用。

對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)校準(zhǔn)方法研究的升溫帶來(lái)了一系列直通-反射-傳輸線校準(zhǔn)方式。這類校準(zhǔn)已在8510上執(zhí)行。測(cè)量精度變得受校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)精度的限制。因此，引入了超精密參考傳輸線和無(wú)縫隙陰接觸。為了簡(jiǎn)化校準(zhǔn)而發(fā)明了電子校準(zhǔn)、一次連接和軟件控制的順序校準(zhǔn)過(guò)程。多端口、差動(dòng)及非線性校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前的任務(wù)。