平衡VNA測(cè)試的使用技巧

傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 VNA(vector network analyzer)在測(cè)量平衡/差分器件時(shí)，通常采用所謂的“虛擬”方法：網(wǎng)絡(luò)分析儀用單邊(single-ended)信號(hào)激勵(lì)被測(cè)件，測(cè)出其不平衡(unbalanced)參數(shù)，然后網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，把不平衡參數(shù)轉(zhuǎn)換成平衡參數(shù)。該方法對(duì)于分析小信號(hào)(線(xiàn)性)狀態(tài)下的有源/無(wú)源器件已經(jīng)夠用。但是當(dāng)器件處于大信號(hào)(非線(xiàn)性)工作狀態(tài)時(shí)，該方法測(cè)試結(jié)果的精度就受限了。盡管人們想出了很多方法克服這個(gè)問(wèn)題：例如采用“理想的”寬帶功分器或耦合器，但是這些方法都無(wú)法進(jìn)行全系統(tǒng)校準(zhǔn)。幸運(yùn)的是羅德與施瓦茨公司(Rohde Schwarz)的多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA和ZVT，通過(guò)添加新的選件，就可以實(shí)現(xiàn)精確的寬帶差分器件測(cè)量，并且操作方便。

RS ZVx-K6選件是一種概念全新的技術(shù)，并且獲得了多項(xiàng)專(zhuān)利。該公司已經(jīng)在多種有源器件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法得出的增益壓縮點(diǎn)結(jié)果和“虛擬”方法相比，確實(shí)有一定差距。圖1就是一個(gè)典型的例子，這個(gè)實(shí)驗(yàn)采用RS ZVA40網(wǎng)絡(luò)分析儀，在兩種模式下分別測(cè)試一個(gè)2GHz的

微波單片集成MMIC(monolithic-microwave-integrated-circuit)放大器。可以看出，在小信號(hào)(線(xiàn)性)的情況下，兩種方法的測(cè)量結(jié)果一樣，但是在放大器處于壓縮狀態(tài)(大信號(hào))的情況下，兩種方法的測(cè)量結(jié)果有明顯差異。采用真差分激勵(lì)測(cè)得的增益，比采用虛擬方法的結(jié)果提前4dB出現(xiàn)壓縮，并且最大增益的測(cè)量結(jié)果也要低0.5dB。

這種新技術(shù)的改進(jìn)(優(yōu)點(diǎn))有如下三方面：

1.目前差分放大器在手機(jī)、智能電話(huà)、數(shù)據(jù)卡和其他移動(dòng)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。但是這些器件目前大多采用虛擬方法來(lái)測(cè)試(由于以前還沒(méi)有真差分測(cè)試技術(shù))。也就意味著目前測(cè)得的器件特性并不正確。

2.如果器件實(shí)際出現(xiàn)壓縮的功率，比廠商標(biāo)注的要低(因?yàn)閺S商目前都用虛擬方法測(cè)試)，也就意味著現(xiàn)在的很多放大器都處于壓縮(過(guò)載)狀態(tài)下工作，其實(shí)際互調(diào)產(chǎn)物要比設(shè)計(jì)值高很多。

3.采用虛擬方法設(shè)計(jì)生產(chǎn)手機(jī)的廠商，目前必須“功率回退”技術(shù)，才能達(dá)到理想的線(xiàn)性功率性能。

然而采用“功率回退”技術(shù)意味著需要更多(或輸出功率更高)的有源器件，才能達(dá)到指定的輸出功率，可能需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)發(fā)射機(jī)部分。

當(dāng)然，如果能更精確的測(cè)試出平衡器件的特性，器件、系統(tǒng)廠商就可以在產(chǎn)品出廠之前(而不是在使用中出現(xiàn)問(wèn)題之后)，設(shè)計(jì)出理想的性能和工作條件。

用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量差分(平衡)器件時(shí)，儀器只能產(chǎn)生單端激勵(lì)，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，把測(cè)得的單端S參數(shù)轉(zhuǎn)化為差分S參數(shù)。儀器并沒(méi)有用差分信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)件，而是把它當(dāng)成一個(gè)單端器件來(lái)測(cè)量的。然后使用測(cè)得的單端S參數(shù)，計(jì)算出混合模S參數(shù)。由于沒(méi)有使用真實(shí)的差分信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)件，這種虛擬方法的精度難以保證。這種方法的精度在小信號(hào)(線(xiàn)性)狀態(tài)下尚可，但是在大信號(hào)(非線(xiàn)性)狀態(tài)下，難以保證。

當(dāng)有源器件處于大信號(hào)激勵(lì)下，其非線(xiàn)性特性逐步顯露(通常用1dB或3dB壓縮點(diǎn)來(lái)衡量)，這時(shí)采用傳統(tǒng)虛擬方法測(cè)量有源器件，就很難得到理想的結(jié)果。例如用虛擬法測(cè)得某個(gè)放大器的1dB壓縮點(diǎn)比實(shí)際值偏高，如果用這個(gè)參數(shù)去指導(dǎo)設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)出的放大器就可能會(huì)于過(guò)載狀態(tài)，從而產(chǎn)生很多非線(xiàn)性產(chǎn)物。然而，以前網(wǎng)絡(luò)分析儀只能提供虛擬方法，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀控制其輸出的兩路信號(hào)源的幅度和相位的技術(shù)極其復(fù)雜。

羅德與施瓦茨公司開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出真正差分信號(hào)，用來(lái)激勵(lì)射頻微波平衡器件，其最高頻率高達(dá)40GHz。該方法基于專(zhuān)利控制的技術(shù)，控制兩路內(nèi)部源的幅度和相位，以及專(zhuān)利的差分矢量校準(zhǔn)技術(shù)。RS ZVA(2、3、4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀)或該公司的ZVT(多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀)內(nèi)部的兩路源可以產(chǎn)生幅度相同，相位差為0度或180度的信號(hào)，其相位差的不確定度小于1度。用這組差分信號(hào)激勵(lì)被測(cè)件，可以直接測(cè)出差模或共模響應(yīng)，經(jīng)過(guò)矢量修正，直接得出混合模S參數(shù)。

傳統(tǒng)的虛擬方法工作原理如下：在每一個(gè)頻點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口輸出一個(gè)單端激勵(lì)，在2、3、4端口測(cè)量傳輸分量，在1端口測(cè)量反射分量，然后分別再用2、3、4端口輸出單端激勵(lì)信號(hào)，重復(fù)上述測(cè)試。可以得出16個(gè)單端S參數(shù)(S11到S44)，再用這16個(gè)參數(shù)計(jì)算出混合模S參數(shù)Sxxyy。但是對(duì)于非線(xiàn)性器件，儀器的1端口和2端口不能輸出激勵(lì)信號(hào)，因此不能再現(xiàn)被測(cè)件在實(shí)際工作狀態(tài)下的性能。

產(chǎn)生真正的差分信號(hào)有很多難題需要克服：首先，要在兩個(gè)內(nèi)部源之間實(shí)現(xiàn)180度相移，還要精確的控制這個(gè)相位差，以保證差分信號(hào)的質(zhì)量。另外，在測(cè)量和校準(zhǔn)參考平面，這個(gè)相位差仍然保持有效。而測(cè)試使用電纜的損耗、相位以及其他特性都會(huì)變化，這些都給精確的測(cè)量帶來(lái)很多困難。

儀器的校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的“直通-開(kāi)路-短 路-匹配TOSM”(thru-open-short-match 或稱(chēng) SOLT)校準(zhǔn)方法一致。即使測(cè)試電纜不對(duì)稱(chēng)(例如長(zhǎng)度不同)或者在片測(cè)試，這種校準(zhǔn)方法也適用。該儀器也能產(chǎn)生相位差為0度(同相)的信號(hào)，進(jìn)行共模測(cè)試。以前的儀器中，相位隨時(shí)間以及溫度漂移是一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題，這里內(nèi)部源采用了特殊的算法和控制電路，不斷的檢驗(yàn)并修正內(nèi)部源的相位差，以保證差分信號(hào)嚴(yán)格的幅度相位關(guān)系。