如何提高射頻測(cè)試儀的精度

概覽

　　現(xiàn)代射頻儀器具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其前代產(chǎn)品的令人印象深刻的測(cè)量能力和精度。然而，如果不能提供高品質(zhì)的信號(hào)，這些儀器就不能充分發(fā)揮其潛能。完備的測(cè)量方法和注意事項(xiàng)可以保證您能夠充分獲取在射頻儀器上投資的收益。

　　獲得可靠的射頻測(cè)量

　　射頻測(cè)量通常在理論上很簡(jiǎn)單，但付諸實(shí)施的時(shí)候卻困難重重。您能夠很容易地從當(dāng)代射頻儀器所提供的廣泛測(cè)量手段中獲得核心的射頻測(cè)量結(jié)果，例如功率，頻率和噪聲。但是，獲得結(jié)果與獲得正確結(jié)果則有著天壤之別。通過(guò)在您的整個(gè)射頻測(cè)量過(guò)程中執(zhí)行最優(yōu)方法，您可以確保一個(gè)可靠、精確并且可重復(fù)的結(jié)果。

　　理解專業(yè)術(shù)語(yǔ)

　　例如精度、可重復(fù)性、分辨率和不確定性這些專業(yè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常在各種各樣的射頻應(yīng)用中被混雜和誤用，從而增加了混亂，減少了測(cè)量的可信性。在進(jìn)行射頻測(cè)量時(shí)理解一些關(guān)鍵的專業(yè)術(shù)語(yǔ)和它們的適用環(huán)境是必要的。

　　例如，當(dāng)想要在相近刻度上辨明正確的讀數(shù)時(shí)，儀器上的數(shù)字顯示會(huì)比模擬的測(cè)量?jī)x表更容易使用。然而，即使數(shù)字顯示對(duì)一次測(cè)量給出了小數(shù)點(diǎn)后的三位數(shù)字，你也不能推斷出該儀器及其測(cè)量的分辨率和精度。

　　因?yàn)轱@示給出千分之一分貝的功率或分?jǐn)?shù)赫茲的頻率并不意味著該儀器具有測(cè)量這些細(xì)微變化的能力。通常這些顯示的位數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了儀器在這一水平的測(cè)量能力。要充分了解一個(gè)射頻儀器的測(cè)量能力，往往要參考說(shuō)明書或數(shù)據(jù)表。

　　前后一致的定義可以減少您測(cè)量中可能出現(xiàn)的混淆。以下是您在使用中會(huì)經(jīng)?？吹降囊恍╆P(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：

　　分辨率-儀器所能可靠檢測(cè)到的最小改變

　　重復(fù)性-在同樣條件下多次進(jìn)行同一測(cè)量獲得相同結(jié)果的能力

　　不確定性-對(duì)被測(cè)量的準(zhǔn)確值缺乏認(rèn)知部分的量化

　　精度-儀器在一定誤差范圍內(nèi)測(cè)量一個(gè)參數(shù)實(shí)際/絕對(duì)值的能力

　　不確定性是始終存在的，對(duì)誤差來(lái)源的評(píng)估可以幫助確定測(cè)量的不確定度。除上述外，還有一些相關(guān)術(shù)語(yǔ)在依據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)或其它標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的說(shuō)明文件來(lái)描繪性能時(shí)會(huì)有用?？擅枋鲂允潜ＷC所有的測(cè)量器件有一個(gè)共同的絕對(duì)基準(zhǔn)所必須的。所謂規(guī)范是指保證性能由校準(zhǔn)溯源到NIST的測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生。典型往往意味著性能是百分之百測(cè)試，但不包括測(cè)量不確定因素。象征性的表現(xiàn)通常是補(bǔ)充信息，不是在每個(gè)儀器上的普遍測(cè)量。

　　精度是儀器在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)測(cè)量參數(shù)絕對(duì)值的能力。換句話說(shuō)，X加減Y，沒(méi)有誤差限制(和單位)一個(gè)34的測(cè)量值是沒(méi)有意義的。同樣地，一個(gè)5的誤差說(shuō)明也是沒(méi)有用的，甚至一個(gè)百分之五的誤差說(shuō)明也幾乎沒(méi)有幫助。那到底是正或負(fù)百分之五，還是正百分之三和負(fù)百分之二?為了準(zhǔn)確，精度應(yīng)該像這樣規(guī)定，例如34V+/-1V,34V+/-1%,或34V+2/-1V。

　　請(qǐng)多花時(shí)間了解射頻測(cè)量的術(shù)語(yǔ)并熟悉它們的意義。您關(guān)于測(cè)量的表達(dá)越準(zhǔn)確，結(jié)果就越利于理解也越可信。

　　了解你的被測(cè)試裝置

　　被測(cè)試裝置(DUT)的性能會(huì)顯著影響射頻測(cè)量。例如，溫度會(huì)影響穩(wěn)定性，并因此與可重復(fù)性密切相關(guān)。許多射頻器件和射頻儀器沒(méi)有對(duì)溫度變化的內(nèi)部補(bǔ)償。因此，它們必須在穩(wěn)定的溫度下工作以使溫度漂移引起的測(cè)量誤差最小。當(dāng)前的環(huán)境(例如，空調(diào)循環(huán)的開(kāi)啟與關(guān)閉，覆蓋物和面板的移除或增加，處于戶外或室內(nèi)，以及是否接近熱源)會(huì)有很大影響。需要注意適當(dāng)?shù)念A(yù)熱時(shí)間、被測(cè)試裝置的冷卻需求和周邊的環(huán)境以確保溫度穩(wěn)定性。

　　在有源器件中，過(guò)高的功率會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。例如，在測(cè)試高功率放大器時(shí)，被測(cè)試器件本身可以保持溫度穩(wěn)定，但是下游組件會(huì)怎么樣呢?看看是否有開(kāi)關(guān)或衰減器因?yàn)榉糯笃鞯妮敵龆患訜?。尋找由放大器產(chǎn)生的異常信號(hào)，例如諧波。電源線容易受到可直接疊加到輸出的環(huán)境噪聲的影響。而且，測(cè)量放大器的線性參數(shù)(增益和相位)，隨后卻發(fā)現(xiàn)放大器同時(shí)處于被壓縮狀態(tài)是令人沮喪的。所有這些都影響了射頻測(cè)量的精度。在器件被測(cè)試前對(duì)其本身、其運(yùn)作方式以及它對(duì)射頻測(cè)量參數(shù)的影響進(jìn)行了解，會(huì)得到有意義的結(jié)果。

　　識(shí)別出現(xiàn)不確定性的方面

　　僅僅匹配射頻測(cè)試設(shè)備的數(shù)據(jù)表格說(shuō)明與被測(cè)試裝置的測(cè)試要求是不夠的。這在更高頻率或者失配的射頻測(cè)量中尤其明顯，除其它外，還有放大不確定性。在測(cè)量的每個(gè)步驟中引入的誤差會(huì)使總體結(jié)果出現(xiàn)偏差。當(dāng)一個(gè)不正確的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，你應(yīng)該在質(zhì)疑被測(cè)量裝置存在問(wèn)題之前首先懷疑測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　請(qǐng)?jiān)跍y(cè)量過(guò)程中了解儀器儀表以及被測(cè)試裝置的關(guān)鍵操作規(guī)范。在其它規(guī)范中，了解匹配，頻率響應(yīng)，噪聲系數(shù)和功率。同時(shí)，也要了解這些參數(shù)的容許誤差。請(qǐng)記住如下要素：

　　射頻開(kāi)關(guān)重復(fù)性，老化和功率處理

　　耦合器的指向性，電纜的相穩(wěn)定性以及適配器的插入損耗和回波損耗

　　電路板線路的阻抗質(zhì)量，器件插座和電路板的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換

　　測(cè)量中的電磁干擾(EMI)輻射和耦合

　　一些通常沒(méi)有被認(rèn)真考慮的項(xiàng)目，例如冷卻、諧波、激勵(lì)以及其他非線性行為也能夠增加測(cè)量中的誤差。審視整個(gè)測(cè)試設(shè)備并確定每一塊的誤差分布以獲得對(duì)預(yù)期測(cè)量不確定性的實(shí)際評(píng)價(jià)。找出誤差原因和它們對(duì)精度、重復(fù)性和不確定性的影響。這可以得到更好的結(jié)果，使您能更加有效和有意義地分配預(yù)算和資源。

　　注意所有的連接和組件

　　開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、測(cè)試以及將產(chǎn)品推廣到市場(chǎng)這一系列的花費(fèi)是一筆相當(dāng)大的投資。一個(gè)公司的成敗與否取決于產(chǎn)品的性能。在高性能的射頻測(cè)試設(shè)備上的支出是有重要意義的，因?yàn)檫@能夠表明產(chǎn)品達(dá)到或超過(guò)與市場(chǎng)份額掛鉤的關(guān)鍵技術(shù)要求。此外它還代表了一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和公司收入的主要增加來(lái)源。
然而，僅有一個(gè)高性能的，昂貴的，經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)和同樣性能顯著的被測(cè)試器件是不夠的，還應(yīng)該對(duì)被測(cè)試器件測(cè)試系統(tǒng)中的附屬連接和組件的質(zhì)量和重復(fù)性給予同等的關(guān)注。也許在關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)上十分之一或二的改進(jìn)都是一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，源和負(fù)載的匹配(駐波比)為1：1.5是不錯(cuò)的，但是這種程度的匹配將引入一個(gè)錯(cuò)誤的(大約)為+/-0.35分貝的失配不確定性。一個(gè)0.2分貝的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)不可能在這么多的不確定性影響下得到證明。

　　容易忽視的項(xiàng)目例如電纜、開(kāi)關(guān)、衰減器、連接器、插座、適配器和附件會(huì)不利于整個(gè)測(cè)量。從需要的精度出發(fā)，然后選擇適合測(cè)量的組件。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則會(huì)使測(cè)試系統(tǒng)性能十倍于你正在測(cè)試的被測(cè)試裝置的參數(shù)。

　　有了一個(gè)高品質(zhì)信道，下一步是要采用好的測(cè)量方法。請(qǐng)確保你正確清潔和存放電纜、連接器和適配器。即使是最好的電纜和連接器失效了，也要放棄對(duì)它們的使用，它們是測(cè)試過(guò)程中的耗材。采取措施，盡量減少適配器的使用，確保扭矩扳手和連接規(guī)格按常規(guī)使用以使熱切換最小。請(qǐng)記住正確的靜電放電(ESD)做法。即使測(cè)試系統(tǒng)間最高品質(zhì)的元件和被測(cè)試裝置的級(jí)聯(lián)也可以引入測(cè)量誤差。

　　為作業(yè)選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ?/p>

　　需要測(cè)量哪些參數(shù)和需要達(dá)到怎樣的精度水平很大程度上決定了測(cè)試被測(cè)裝置所需要選擇的射頻設(shè)備。最好的選擇是一個(gè)安全的策略，但它會(huì)浪費(fèi)你能夠用于測(cè)量其它方面的預(yù)算資源。如果射頻功率是要測(cè)量的唯一量，一個(gè)射頻功率計(jì)可能是比一臺(tái)矢量信號(hào)分析儀更理想的選擇。

　　標(biāo)量?jī)x器只測(cè)量幅度(振幅)，而矢量?jī)x器測(cè)量幅度和相位。即使不需要測(cè)量相位，也要考慮到矢量工具可以提供更好的誤差更正，因?yàn)橄辔恍畔⒖梢杂脕?lái)量化系統(tǒng)中不需要的反射。

　　將價(jià)格與性能等同并不是在購(gòu)買射頻儀器時(shí)應(yīng)遵循的最佳法則。一臺(tái)高質(zhì)量的掃頻調(diào)諧光譜分析儀將花費(fèi)你大量的預(yù)算。盡管它們?cè)谝延械臏y(cè)量用途上是優(yōu)秀的測(cè)量?jī)x器，具有典型的±1分貝或更低的測(cè)量精度，但它們卻難以達(dá)到測(cè)量絕對(duì)射頻功率的要求。同樣，如果使用的儀器具有-140dBm/Hz的本底噪聲，那么它也很難測(cè)量出被測(cè)裝置上-155dBm/Hz的本底噪聲。

　　請(qǐng)為每項(xiàng)作業(yè)考慮合適的工具。為精度和不需要的測(cè)量付出太多不僅是對(duì)金錢和資源的浪費(fèi)，它限制了用于例如對(duì)測(cè)量質(zhì)量更有利的電纜和開(kāi)關(guān)等其它方面的資金。

　　開(kāi)發(fā)流程

　　一旦你確定并執(zhí)行了最優(yōu)方法，就要使它們逐步成為能夠在團(tuán)體間清楚理解和交流的慣例或流程。這能夠使射頻測(cè)量結(jié)果具有更好的重復(fù)性和一致性。

　　例如，一個(gè)關(guān)于流程的常見(jiàn)問(wèn)題是我應(yīng)該多久校準(zhǔn)一次?許多射頻儀器往往是對(duì)環(huán)境變化敏感的。如果是這樣的話，更經(jīng)常的校準(zhǔn)可能是必要的。高精度的要求可能也需要更頻繁的校準(zhǔn)。無(wú)論如何，對(duì)射頻校準(zhǔn)的要求必須時(shí)刻牢記，并要將其作為嚴(yán)格遵守的流程。

　　整個(gè)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試和制造階段的流程能夠影響射頻測(cè)量性能。考慮哪些操作參數(shù)需要驗(yàn)證，哪些應(yīng)該在制造中測(cè)試，以及影響射頻測(cè)量精度、重復(fù)性和不確定性的上游和下游工序(例如，返工，焊接，裝配和屏蔽)。

　　流程對(duì)于獲得并執(zhí)行良好的射頻方法很重要。這有利于良好方法的常規(guī)學(xué)習(xí)和標(biāo)準(zhǔn)化。在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)始終如一地遵循已建立的流程對(duì)射頻參數(shù)以及對(duì)它們的正確測(cè)量能夠產(chǎn)生重大的影響。

　　提高射頻測(cè)量的質(zhì)量

　　進(jìn)行射頻測(cè)量可以很容易;然而，要做好就比較有挑戰(zhàn)性。使用健全的方法并且在測(cè)量過(guò)程中找出它們可以提高射頻測(cè)量的品質(zhì)。有許多方法可以確定和執(zhí)行最優(yōu)方法。改進(jìn)射頻測(cè)量是一個(gè)獲得認(rèn)知和付諸實(shí)踐的連續(xù)過(guò)程。本文介紹的步驟有助于建立一種體系來(lái)提高射頻測(cè)量技術(shù)并充分利用您的射頻測(cè)試儀器。