基于矢量網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)的變頻器件測試

前言
在現(xiàn)行的變頻器件測試方案中，測量系統(tǒng)對(duì)本振信號(hào)源的控制都是一個(gè)很困難的問題（本振信號(hào)頻率固定的除外）。而解決此問題的一般辦法有：一是測量系統(tǒng)處于點(diǎn)頻手動(dòng)測量模式下，射頻激勵(lì)、本振激勵(lì)和中頻響應(yīng)三方都需人工依次操作來完成測量設(shè)置，這樣一來，測量時(shí)間長，工作效率低；二是射頻激勵(lì)與中頻響應(yīng)集成一體的測試設(shè)備提供對(duì)本振激勵(lì)進(jìn)行簡單控制的功能，例如用頻率偏置功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)本振激勵(lì)的控制，此方案適用范圍窄；三是在外加主控計(jì)算機(jī)的前提下，由主控計(jì)算機(jī)來統(tǒng)一、同步控制測量系統(tǒng)三方的工作，其工作模式還是點(diǎn)頻，只不過點(diǎn)頻方式下三方設(shè)備的測量設(shè)置和同步工作由主控計(jì)算機(jī)來完成，這樣測量效率顯然提高了，但成本也相應(yīng)地增加了，重要的是應(yīng)用不太方便，也就是說，每次使用時(shí)都須搭建如此測量系統(tǒng)，甚是費(fèi)力！

MS4623B VNMS由此應(yīng)用而生。它所具備的多源模式和內(nèi)置三端口，使變頻器件的測試便捷、高效，同時(shí)還具有測量系統(tǒng)體積小的特點(diǎn)。

MS4623B VNMS的特點(diǎn)

MS4623B VNMS具有全面的測量功能：(1)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功能；(2)頻率和功率掃描功能；(3)噪聲系數(shù)測量儀功能(需加選件)； (4)頻譜分析儀顯示功能；(5)內(nèi)置雙頻率綜合信號(hào)源。MS4623B VNMS具備如此完備的測量功能，與它如下的特性緊密相關(guān)。

內(nèi)置第三測量端口及第二內(nèi)部源

當(dāng)今某些要求苛刻的VNA測量涉及對(duì)多端口設(shè)備的測試和調(diào)試，這些多端口設(shè)備有雙工器、混頻器、耦合器等。對(duì)于傳統(tǒng)的兩端口VNA，要想完全測試與調(diào)試這些設(shè)備，從測量速度、校準(zhǔn)及輸入信號(hào)和測量端口的方面來說，是一很大的挑戰(zhàn)。通過增加第三個(gè)測量端口，對(duì)于測試該類設(shè)備無疑是簡化了，并提高了速度，而且為工業(yè)界首次提供了第二內(nèi)部源。第二源完全與主源獨(dú)立，并能在端口1和2間切換。通過增加這第二源，就有可能代替信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀，用于測量非線性結(jié)果（當(dāng)多頻同時(shí)存在于一有源設(shè)備的通帶內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象）。

多源模式

MS4623B VNMS的多源模式是一項(xiàng)強(qiáng)大的功能，它提供對(duì)內(nèi)部信號(hào)源、外部信號(hào)源（多達(dá)2至3個(gè)）和接收機(jī)的頻率掃描進(jìn)行任意控制。這種靈活的控制在非MS4623B VNMS內(nèi)置測量應(yīng)用功能除外的其它非常規(guī)測試中非常有用。下圖所示的是MS4623B VNMS的多源模式設(shè)置界面。多源模式的詳細(xì)操作說明請(qǐng)參閱MS4623B VNMS使用手冊(cè)，也可以參考本文后續(xù)章節(jié)中的變頻器件測試實(shí)例中的相關(guān)內(nèi)容。

圖1

本文中介紹的變頻器件測量，沒有使用VNMS內(nèi)置的Mixer測試應(yīng)用模式，而是在MS4623B VNMS普通T/R模式基礎(chǔ)上，通過設(shè)置儀器的多源模式和測量參數(shù)，來完成變頻器件的各種技術(shù)性能的測試。

測量參數(shù)的自定義

MS4623B VNMS能測量的參數(shù)，除常規(guī)三端口S參數(shù)（S11，S21，S22，S12，S33，S23，S32，S13，S31），諧波，噪聲系數(shù)，互調(diào)失真（IMD），和a1，a2，a3，b1，b2，b3，1的用戶自定義組合。其中a1/1，a2/1，a3/1，b1/1，b2/1，b3/1的測量分別表示對(duì)相應(yīng)的接收機(jī)的絕對(duì)測量，當(dāng)然測量時(shí)，必須對(duì)接收機(jī)進(jìn)行測量歸一化校準(zhǔn)。

變頻器件的測試

為了更好地展現(xiàn)出MS4623B VNMS在變頻器件測試中的優(yōu)勢，本文介紹的變頻器件測試是以具備如下屬性的二級(jí)變頻的變頻器件的第二中頻輸出信號(hào)（IF2）為測試對(duì)象。變頻器件的特性：1）射頻激勵(lì)信號(hào)（RF）范圍2～2.5GHz；2）第一本振激勵(lì)信號(hào)（LO1）范圍2.3～2.8GHz，產(chǎn)生頻率為300MHz的第一中頻響應(yīng)信號(hào)（IF1）；3）第二本振激勵(lì)信號(hào)（LO2）的頻率固定為321MHz，產(chǎn)生頻率為21MHz的第二中頻響應(yīng)信號(hào)（IF2）；4)變頻器件內(nèi)具有功率放大器和二次變頻時(shí)所需的兩個(gè)中頻濾波器；5）測量對(duì)象是射頻激勵(lì)信號(hào)從2GHz掃描至2.5GHz，同時(shí)第一本振激勵(lì)信號(hào)從2.3GHz掃描至2.8GHz的第二中頻響應(yīng)信號(hào)。

本文中介紹的以下三個(gè)測量項(xiàng)目，是對(duì)測試對(duì)象的幅值進(jìn)行絕對(duì)測量。在此，首先要介紹的是三個(gè)測量項(xiàng)目的共同設(shè)置任務(wù)，而其中的多源模式設(shè)置將分別在各自的章節(jié)中作介紹。

1． 測量硬件連接圖

圖2

注：
（1） 圖中的被測量實(shí)體是兩個(gè)單級(jí)混頻器和濾波器組成的被測網(wǎng)絡(luò)，而本文的舉例的是上述的二級(jí)變頻器件；

（2） 測量設(shè)備后面板連接，將外置信號(hào)源的10MHz參考輸出連接至MS4623B VNMS的參考輸入；

（3） 將信號(hào)源的IEEE488.2接口連接至MS4623B VNMS的第二IEEE488.2接口；

（4） 將PORT 1作為射頻激勵(lì)信號(hào)RF輸出端，連接至被測變頻器件的RF輸入端；

（5） 將PORT 3作為第一本振激勵(lì)信號(hào)LO1輸出端，連接至被測變頻器件的LO1輸入端；

（6） 將作為第二本振激勵(lì)信號(hào)LO2的輸出端，連接至被測變頻器件的LO2輸入端；

（7） 將PORT 2作為中頻響應(yīng)輸入端，連接至被測變頻器件的IF2輸出端。

2． MS4623B VNMS測量設(shè)置

MS4623B VNMS測量設(shè)置步驟：

（1） 復(fù)位系統(tǒng)至出廠設(shè)備，DEFAULT/ 0；

（2） 設(shè)置系統(tǒng)的參考為外參考，UTILITY/ REAR PANEL/REFERENCE FREQUENCY/ EXTERNAL/ RETURN；

（3） 設(shè)置系統(tǒng)測量參數(shù)，MEAS/ USER DEFINED/ CHANGE RATIO/ B2/ 1/ RETURN；

（4） 設(shè)置系統(tǒng)測量參數(shù)的表現(xiàn)格式，DISPLAY/ DISPLAY MODE/ SINGLE CHANNEL/ RETURN/GRAPH TYPE/ LOG MAGNITUDE/ RETURN；

（5） 設(shè)置系統(tǒng)中頻帶寬至適當(dāng)值（如：300Hz），AVG/ SELECT I.F. BANDWIDTH/ I.F. BW 300Hz/ RETURN；

（6） 設(shè)置系統(tǒng)自動(dòng)中頻校準(zhǔn)至關(guān)閉狀態(tài)，SWEEP/ MORE/ TRIGGERS/ AUTOMATIC I.F. CAL OFF/ RETURN；

（7） 按硬件連接圖，設(shè)置好各激勵(lì)信號(hào)的輸出功率，POWER/ SOURCE 1 SETUP (SOURCE 2 SETUP, SOURCE 3 SETUP)；

（8） 接收機(jī)測量歸一化校準(zhǔn)，詳細(xì)步驟見下一點(diǎn)；

（9） 系統(tǒng)多源模式設(shè)置，詳細(xì)步驟見各自章節(jié)；

（10） 系統(tǒng)測量設(shè)置完成，測量各自設(shè)置的測量參數(shù)。

3． 接收機(jī)測量歸一化校準(zhǔn)

MS4623B VNMS的接收機(jī)校準(zhǔn)，是將系統(tǒng)信號(hào)端口的信號(hào)幅值標(biāo)準(zhǔn)傳遞接收機(jī)，以保障接收機(jī)幅值測量結(jié)果的統(tǒng)一與準(zhǔn)確。而系統(tǒng)信號(hào)端口幅值標(biāo)準(zhǔn)又可通過標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)將幅值校準(zhǔn)傳遞過來（詳細(xì)操作請(qǐng)參閱設(shè)備使用說明書）。在此介紹一下接收機(jī)測量歸一化校準(zhǔn)操作步驟：

（1）設(shè)置測量所需頻段，也就是說接收機(jī)所校準(zhǔn)的頻率中必須包括被測量的頻率，例如，本例中被測量的頻率為21MHz，而工作頻率（也是系統(tǒng)屏幕顯示頻率）卻是2～2.5GHz，所以接收機(jī)校準(zhǔn)頻段可設(shè)置為，起始頻率為21MHz，終止頻率為2500MHz，當(dāng)然也可為其它設(shè)置，但必須包括21MHz這個(gè)頻率點(diǎn)；

（2） 接收機(jī)校準(zhǔn)，POWER/ RECEIVER CAL/RECEIVER CAL進(jìn)入接收機(jī)校準(zhǔn)界面；

（3） 設(shè)置源端口為PORT 1，SOURCE　PORT/ PORT 1；

（4） 設(shè)置接收機(jī)端口為PORT 2，RECEIVER PORT/ PORT 2；

（5） 用測試電纜連接源端PORT 1和接收端PORT 2；

（6） 執(zhí)行接收機(jī)校準(zhǔn)，BEGIN CAL；

（7） 至此PORT 2的接收機(jī)校準(zhǔn)完畢，同時(shí)在POWER/ RECEIVER CAL界面下的RECEIVER CAL FOR PORT 2（CAL　EXISTS）/ ON，接收機(jī)校準(zhǔn)已存在，并已在校準(zhǔn)完成時(shí)自動(dòng)打開。
當(dāng)然，在需要時(shí)，也可校準(zhǔn)PORT 1和PORT 3的接收機(jī)，操作程序同上。

幅度起伏與插入損耗測量

在上述系統(tǒng)測量設(shè)置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)多源模式設(shè)置：

（1） CONFIG/ MULTIPLE SOURCE/ DEFINE BANDS進(jìn)入如圖1所示的多源模式定義界面，將系統(tǒng)多源模式定義如下，定義好后打開多源模式；

Define Band 1: 2～2.5GHz

Source 1= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Source 2= (1/1)*(f+300.000000MHz)

Source 3=(1/1)*(321.000000MHz C.W.)

Source 4= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Receiver= (1/1)*(21.000000MHz C.W.)

（2） 打開系統(tǒng)內(nèi)置信號(hào)源2，CONFIG/ INTERNAL SOURCES BOTH ENABLED ON。
至此，本測量項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置已完成，同時(shí)測量也已開始。在考慮系統(tǒng)誤差修正的前提下，由測量結(jié)果減去射頻激勵(lì)信號(hào)RF的輸入功率，即可得出被測變頻器件的插入損耗；對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，如找其最大、最小值，可得被測變頻器件頻段內(nèi)的起伏峰峰值，求其標(biāo)準(zhǔn)偏差等。
鏡像抑制測量

由被測變頻器件的特性得出，被測變頻器件的第一鏡像射頻激勵(lì)信號(hào)頻率為2.6～3.1GHz，第二鏡像射頻激勵(lì)信號(hào)頻率為1958～2458MHz。按上一測量項(xiàng)目測量出第二中頻響應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)PO，再分別按以下兩種多源模式參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)，測量出相應(yīng)的第二中頻響應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于第一、第二鏡像的第二中頻響應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)PO1 和PO2，最后，將PO1和PO2分別減去PO得出被測變頻器件的第一、第二鏡像抑制。

第一鏡像的多源模式參數(shù):

Define Band 1: 2.6～3.1GHz

Source 1= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Source 2= (1/1)*(f-300.000000MHz)

Source 3=(1/1)*(321.000000MHz C.W.)

Source 4= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Receiver= (1/1)*(21.000000MHz C.W.)

第二鏡像的多源模式參數(shù):

Define Band 1: 1.958～2.458GHz

Source 1= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Source 2= (1/1)*(f+342.000000MHz)

Source 3=(1/1)*(321.000000MHz C.W.)

Source 4= (1/1)*(f+0.000000MHz)

Receiver= (1/1)*(21.000000MHz C.W.)

1dB壓縮點(diǎn)測量

在幅度起伏與插入損耗測量項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)上，執(zhí)行以下操作：

（1） 按壓功能鍵FREQ/ CW. MODE ON，設(shè)置被測頻率（如2250MHz）；

（2） 將掃描類型從頻率掃描設(shè)置成功率掃描，SWEEP/ SWEEP TYPE/ POWER SWEEP；
（3） 設(shè)置功率掃描狀態(tài)下的各激勵(lì)信號(hào)的功率，設(shè)置參數(shù)程序如下，

RF：POWER/ SELECT SOURCE 1

/ START -40dBm (此功率值須保證在被測變頻器件的功率放大線性區(qū))

/ STOP -25dBm (在此掃描功率范圍內(nèi)須存在變頻器件的1dB壓縮點(diǎn))

/ STEP SIZE 0.15dBm (掃描步進(jìn)小，可保障測量更準(zhǔn)確)

LO1：POWER/ SELECT SOURCE 2

/ SINGLE POWER ON (功率值就設(shè)置為頻率掃描下的LO1信號(hào)的功率電平)。

到此本項(xiàng)測量設(shè)置業(yè)已完成，測量所得到的是設(shè)置頻率下的第二中頻響應(yīng)IF2的絕對(duì)功率數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理（測量后的離線處理或通過MS4623B VNMS的數(shù)據(jù)處理功能--軌跡數(shù)學(xué)運(yùn)算），即可找到1dB壓縮點(diǎn)的被測變頻器件的輸入功率。

結(jié)束語

上述介紹變頻器件測試看出，MS4623B VNMS在同一硬件設(shè)置下，可以很方便地測量被測變頻器件的諸多性能參數(shù)。另外，在圖2硬件測試組成的基礎(chǔ)上，再配置第二外置信號(hào)源替代第二內(nèi)置信號(hào)源，空出PORT 3用作變頻器件的第二中頻響應(yīng)接收端，在三個(gè)輸入端口添置三個(gè)相應(yīng)的一分二的功分器，將兩路被測變頻器件的第二中頻響應(yīng)分別連接到系統(tǒng)的PORT 2和PORT 3上；這樣就可測量多變頻器件間的其它性能參數(shù)，如幅度、相位一致性等。本文介紹的只是MS4623B VNMS在變頻器件中的上述方面的測量應(yīng)用，其它諸多應(yīng)用，如變頻器件的噪聲系數(shù)、群時(shí)延等測量，請(qǐng)參閱MS4623B VNMS的廠家發(fā)布的產(chǎn)品應(yīng)用筆記。