矢量網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)在變頻器件測試中的應(yīng)用

前言

在現(xiàn)行的變頻器件測試方案中，測量系統(tǒng)對本振信號源的控制都是一個很困難的問題（本振信號頻率固定的除外）。而解決此問題的一般辦法有：一是測量系統(tǒng)處于點(diǎn)頻手動測量模式下，射頻激勵、本振激勵和中頻響應(yīng)三方都需人工依次操作來完成測量設(shè)置，這樣一來，測量時間長，工作效率低；二是射頻激勵與中頻響應(yīng)集成一體的測試設(shè)備提供對本振激勵進(jìn)行簡單控制的功能，例如用頻率偏置功能來實(shí)現(xiàn)對本振激勵的控制，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)。通過增加第三個測量端口，對于測試該類設(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)多頻同時存在于一有源設(shè)備的通帶內(nèi)時，會產(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，它提供對內(nèi)部信號源、外部信號源（多達(dá)2至3個）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)操作說明請參閱MS4623B VNMS使用手冊，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的測量分別表示對相應(yīng)的接收機(jī)的絕對測量，當(dāng)然測量時，必須對接收機(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變頻的變頻器件的第二中頻輸出信號（IF2）為測試對象。變頻器件的特性：1）射頻激勵信號（RF）范圍2～2.5GHz；2）第一本振激勵信號（LO1）范圍2.3～2.8GHz，產(chǎn)生頻率為300MHz的第一中頻響應(yīng)信號（IF1）；3）第二本振激勵信號（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（IF2）；4)變頻器件內(nèi)具有功率放大器和二次變頻時所需的兩個中頻濾波器；5）測量對象是射頻激勵信號從2GHz掃描至2.5GHz，同時第一本振激勵信號從2.3GHz掃描至2.8GHz的第二中頻響應(yīng)信號。

本文中介紹的以下三個測量項(xiàng)目，是對測試對象的幅值進(jìn)行絕對測量。在此，首先要介紹的是三個測量項(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)體是兩個單級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變頻器件；

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

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

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

（5） 將PORT 3作為第一本振激勵信號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信號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)置好各激勵信號的輸出功率，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)信號端口的信號幅值標(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)完成時自動打開。

當(dāng)然，在需要時，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)果減去射頻激勵信號RF的輸入功率，即可得出被測變頻器件的插入損耗；對測量結(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信號頻率為2.6～3.1GHz，第二鏡像射頻激勵信號頻率為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)下的各激勵信號的功率，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源替代第二內(nèi)置信號源，空出PORT 3用作變頻器件的第二中頻響應(yīng)接收端，在三個輸入端口添置三個相應(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)、群時延等測量，請參閱MS4623B VNMS的廠家發(fā)布的產(chǎn)品應(yīng)用筆記。