微波射頻測試技術(shù)白皮書

微波射頻測試技術(shù)白皮書

第一部分：微波技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

微波射頻電路是整個電子系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成發(fā)射和接收信號的功率控制和頻率搬移，對整個電子系統(tǒng)靈敏度，動態(tài)范圍等指標有決定性的影響。典型的微波射頻電路包含天線，放大器，濾波器，頻率合成器，傳輸線等有源和無源電路。隨著系統(tǒng)功能和性能要求的提高，電子系統(tǒng)對這些電路的要求越來越高，而且很多性能指標的要求還是互相制約的，例如為提高系統(tǒng)的傳輸效率和抗干擾能力，無線通信采用了復雜調(diào)制技術(shù)，從MSK調(diào)頻到PSK調(diào)相再到多載波的OFDM調(diào)制方式，這會造成信號的功率動態(tài)范圍越來越大，對于放大器而言就要求盡量寬的線性范圍，同時系統(tǒng)對放大器的效率有嚴格要求以保證功率利用率指標，這對于傳統(tǒng)放大器技術(shù)來講是很難滿足的。這個技術(shù)挑戰(zhàn)大大推動了功率放大器線性化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。現(xiàn)在射頻微波應用領域的發(fā)展動態(tài)有以下典型的幾個特點：

特點1：新型的半導體材料的應用

無論在大功率器件還是降低器件噪聲性能上，由于新半導體材料的使用讓電路的性能得到提高，例如：GaN材料大大提高了功率管的輸出功率, 而磷化銦材料大大降低了微波放大器的噪聲系數(shù)。

圖1 微波集成電路技術(shù)

特點2：頻率資源的擴展

通過獲得更寬的頻率資源來獲得系統(tǒng)性能的增益是很多電子系統(tǒng)采用的技術(shù)，例如LTE中的頻率聚合技術(shù)，通過毫米波工作頻段的使用來提高傳輸速率并降低干擾等。毫米波的應用從簡單的汽車防撞雷達擴展到寬帶通信等領域。無線通信的信號帶寬從幾百KHz擴展到了超過100MHz的帶寬。

特點3：數(shù)字技術(shù)和射頻技術(shù)的結(jié)合

數(shù)字預失真功率放大器是數(shù)字信號處理技術(shù)和射頻微波技術(shù)結(jié)合最好的代表。通過數(shù)字技術(shù)來擴展單一功率放大器的線性范圍，線性化技術(shù)也被認為是射頻技術(shù)的核心內(nèi)容。

特點4：多通道技術(shù)

無論是軍用相控陣雷達還是無線通信中的智能天線都是通過采用多通道技術(shù)來實現(xiàn)空間波束的控制和合成，通道數(shù)量從幾個通道到上萬通道不等，這對于射頻微波電路的研制開發(fā)來講是機遇也是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

第二部分；先進測試儀表的技術(shù)說明

測試儀表是技術(shù)開發(fā)的重要技術(shù)資源，射頻微波測試領域常用的儀表包含網(wǎng)絡分析儀，信號源，頻譜分析儀，功率計，相噪分析儀，示波器等，為適應微波射頻技術(shù)的發(fā)展，測試技術(shù)和測試儀表也在發(fā)生很大的變化，為先進技術(shù)開發(fā)提供新的測試手段和技術(shù)途徑。

2.1先進微波射頻測試儀表的典型特點

現(xiàn)在射頻微波測試儀表的典型技術(shù)特點總結(jié)有以下幾個方面：

特點1：仿真軟件和測試儀表的結(jié)合

先通過軟件數(shù)字仿真設計然后再進行電路實物實現(xiàn)已經(jīng)是射頻微波電路實現(xiàn)的規(guī)范化技術(shù)流程，現(xiàn)在微波電路仿真EDA工具和測試儀表的技術(shù)互聯(lián)更加緊密，Agilent ADS仿真軟件和PNA-X/PXA/PSG微波儀表是仿真軟件和測試儀表結(jié)合應用的典型例子。在ADS仿真環(huán)境下，首先可以進行系統(tǒng)級設計，包含在系統(tǒng)的框架下對射頻電路的指標進行規(guī)劃和分配，例如接收機電路的中頻選擇，多級級聯(lián)放大器的功率壓縮點，噪聲系數(shù)等參數(shù)的分配。當指標分配好后，再利用電路仿真工具完成電路的原理圖設計和版圖設計。測試儀表的功能包含被測件性能評估，器件模型建立等，特別是通過儀表測試來完成準確的器件模型建立是保證仿真精度的重要基礎，微波電路建模技術(shù)最大的突破就是利用基于PNA-X的非線性網(wǎng)絡儀能測試功率放大器的非線性成份的幅度和相位信息，提供完整的線性S參數(shù)和非線性X參數(shù)模型。Agilent B1500A能完成器件直流I/V,C/V參數(shù)測試，用于微波器件的直流參數(shù)建模。

基于仿真軟件和測試儀表能構(gòu)建閉環(huán)的微波電路設計平臺，針對任何一個微波技術(shù)問題，都能有匹配的仿真工具和測試手段來配合，能大大提高電路實現(xiàn)的效率。

圖2 基于仿真軟件和測試儀表構(gòu)建的微波電路設開發(fā)臺

特點2：平臺化儀表的概念

無論是信號源，信號分析儀還是網(wǎng)絡分析儀這些傳統(tǒng)的射頻微波測試儀表，數(shù)字化技術(shù)在儀表中正越來越多的得到應用，儀表都采用矢量技術(shù)的實現(xiàn)技術(shù)，這樣可以利用平臺化的儀表來滿足不同應用領域的要求，例如矢量信號源通過波形計算，基帶DAC轉(zhuǎn)換和IQ調(diào)制來建立信號，針對不同應用，只需要利用不同的信號建立軟件工具來計算信號波形數(shù)據(jù)就可實現(xiàn)，而不需要更改硬件平臺。在信號分析應用中，射頻微波領域最常用的頻譜儀技術(shù)上已經(jīng)實現(xiàn)全數(shù)字化，頻譜儀中重要的中頻濾波，檢波處理等都已采用ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字化信號處理技術(shù)來完成，這樣能大大提高儀表頻譜測試的性能，同時還能通過解調(diào)分析處理算法來實現(xiàn)信號的解調(diào)分析，這樣單臺的分析儀表同時具備了頻譜和時域的關(guān)聯(lián)測試，解調(diào)測試，信號存儲等多功能。針對不同的信號解調(diào)分析，只需要切換分析的軟件就可完成?；谶@些實現(xiàn)技術(shù)，平臺化的信號源儀表和分析儀表能滿足從無線通信到雷達應用不同系統(tǒng)的測試要求，大大提高儀表的使用效益。

圖3 平臺化測試儀表

特點3：分析和判斷能力的提高

儀表最基本的功能是提供被測對象的測試結(jié)果，當測試結(jié)果不滿足要求時，先進儀表能提供的技術(shù)能力能大大提高故障判斷的效率，為問題的解決提供豐富的技術(shù)途徑。首先現(xiàn)在儀表能對被測電子系統(tǒng)各個關(guān)鍵節(jié)點提供獨立的測試手段，包含數(shù)字信號，基帶信號，中頻和射頻信號等，而且分析的工具能實現(xiàn)統(tǒng)一化，如圖4所示，可以利用邏輯分析儀，示波器，頻譜儀分別對接收機系統(tǒng)的數(shù)字基帶，模擬基帶和射頻信號進行測試，這些儀表采集的信號波形數(shù)據(jù)都能通過矢量分析軟件來進行分析，分析功能包含頻譜，時域和解調(diào)分析等。這樣在統(tǒng)一的分析環(huán)境下對數(shù)字信號，基帶信號和射頻信號的測試結(jié)果進行對比，能大大提高問題定位的效率。另外在信號分析的手段上，分析軟件能獨立地分析信號的幅度誤差，頻率誤差和相位誤差，這樣可以判斷誤差的基本來源，分析過程中，可以利用時域和頻域的關(guān)聯(lián)分析來得到誤差的特性是隨機誤差還是周期誤差，這樣問題信號的來源就很快得到定位。Agilent 89601A/B矢量分析軟件為核心的矢量信號分析系統(tǒng)，可以支持Agilent全系列的邏輯分析儀，示波器和信號分析儀，典型的測試分析判斷舉例如表1所示。

圖4 先進儀表對接收機系統(tǒng)的測試

表1 典型電子系統(tǒng)誤差來源分析

2.2 先進測試儀表舉例

2.2.1毫米波太赫茲測試儀表及應用

針對毫米波到太赫茲的應用要求，現(xiàn)在矢量網(wǎng)絡儀，信號源和頻譜分析儀都可以覆蓋到太赫茲測試頻段，儀表廠家可以提供系統(tǒng)解決方案，儀表的性能穩(wěn)定，工程應用的狀態(tài)已經(jīng)成熟化。圖5為Agilent 毫米波網(wǎng)絡儀，信號源和頻譜儀的配置方案，現(xiàn)在單臺的獨立測試儀工作頻率范圍可以達到70GHz，在更高的測試頻段，是通過外置的頻率擴展裝置來擴展工作頻率范圍。最主要的網(wǎng)絡分析儀能工作到1THz頻段。

圖5 毫米波太赫茲測試儀表配置

微波頻段網(wǎng)絡儀的性能是毫米波直到太赫茲網(wǎng)絡儀性能的基礎，由于現(xiàn)在網(wǎng)絡儀內(nèi)置激勵信號源和接收機性能的提高，首先在毫米波測試應用中，不再需要外置的獨立信號源來提供激勵信號和接收機本振信號，降低了系統(tǒng)的復雜程度和成本價格，另外儀表的工作性能也得到很大提高，例如太赫茲矢網(wǎng)在750GHz的測試動態(tài)范圍能達到80dB，測試的軌跡噪聲性能小于0.1dB。圖6為PNA-X矢網(wǎng)的實際測試性能。

圖6 太赫茲網(wǎng)絡儀測試性能

2.2.2網(wǎng)絡儀技術(shù)的革命性突破

網(wǎng)絡分析儀是測試射頻微波器件的基礎性常用儀表，測試應用中，網(wǎng)絡儀的基本特點是測試參數(shù)完整和測試精度高，傳統(tǒng)網(wǎng)絡儀主要測試器件的傳輸反射S參數(shù)，由于采用閉環(huán)的儀表體系結(jié)構(gòu)和支持校準技術(shù)消除系統(tǒng)誤差，網(wǎng)絡儀可以提供其它儀表不能比擬的幅度和相位參數(shù)測試精度。