精密测量促进了元件和系统的不断完善
发布时间：2010-9-16 16:10
发布者：techshare
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射频（RF）/微波网络分析仪促进了高频元件及其设计方法的发展。测量电路和器件的传输、反射和阻抗特性的能力使工程师们能优化放大器、变频器、信号分离和滤波器件以及其它元件的性能。通信和国防系统的性能主要取决于这些元件及其测试系统的性能。 回顾过去 20世纪40年代和50年代，大多数高频通信系统都采用电子管（速调管、磁控管）和调幅（AM）或调频（FM）技术。一些原始的信号发生器、功率检波器和阻抗电桥被用来测量上述元件的传输、反射和阻抗特性，使之能制作出成功的系统。为了绘制一个现代史密斯图（Smith chart），每次一个频率要进行数小时繁琐的手动调谐测量。当时的网络分析仪是扫频标量分析仪，结合繁琐的逐点重绘器件的相对相位特性。 到60年代，半导体技术方兴未艾。基于半导体二极管的取样器成为仪器的基本组成部分。这些取样器用来对波形取样，能对信号进行相对幅度和相位测量。基于返波振荡器的频率捷变信号源允许在宽频率范围内进行测量。能进行扫频幅度和相位测量的第一台网络分析仪是建立在8405型矢量电压表基础上的8407*型射频网络分析仪。它允许比较两个波形的幅度和相位，但只能工作到110 MHz。  图1. 8410型网络分析仪 1967年，HP公司（Agilent Technologies的前身）推出了将扫频能力扩大到12 GHz的8410网络分析仪。这是基于通过组合实现网络分析功能的多个机箱的台式系统（图1）。当时，S参数的概念刚开始流行。它将传输、反射和阻抗转化成了能够迅速测量和观测的单个图像。这是高频设计中的变革，使工程师们能着手用刚开始提供的新型高频半导体器件进行设计。这些器件的优势具有一定的伸缩性。如果设计和测量手段不能使设计人员最大限度地挖掘这些新器件的潜力，那么它们的应用便可能大打折扣。为了从器件中获得最佳性能，合理测量的互动和步骤提示有助于推动设计和测量的不断向前发展。 到70年代，计算机面市，从而扩大了仪器能力（图2）。8452自动网络分析仪应运而生。这种大型三机柜系统为电路设计人员带来误差修正数学处理功能、脉冲测量功能和其它功能。可是，该系统占用了三个仪器机柜。现代网络分析仪可以用单一台式机箱实现所有这些功能。 1976年推出了8505首台集成的、微处理器控制的网络分析仪。这类网络分析仪在一个台式机箱内包含合成信号源、接收机、测试装置和显示器，并工作到1.3 GHz。 80年代中期，宽带固态信号源，经改进的取样器和微处理器三者的结合，形成三种十分重要的产品，即8510、8753和8720矢量网络分析仪（VNA）。8510网络分析仪（图3）成为微波测量的计量标准，并促成元件设计的许多改进。正当对第一代蜂窝电话的要求不断提高时，8753网络分析仪（图4）走向市场。8753是首次全误差修正的射频网络分析仪。由于它的低价格和强大功能，故很快成为工业标准。它广泛用于无线电元件制造中，正如8510和8720成为航空和雷达元件研发制造中的主要支柱一样。  图2. 8452自动网络分析仪系统  图3. 8510网络分析仪  图4. 8753网络分析仪 与此同时，涌现出了供高频设计人员使用的首批商用计算机辅助工程（CAE）工具。模拟和测量之间的相互促进，缩短了设计周期并增加了功能。这时涌现出的首款商用微波集成电路曾得到过这种测量和模拟功能的巨大帮助。8720是首批全集成（单机）微波矢量网络分析仪，它在8542推出之后20年嵌入了8542自动网络分析仪（ANA）的大多数功能。 90年代，无线电器件的发展经历了巨大繁荣。这是同时具有成本压力和制造量的第一个高频用户市场。网络分析仪（曾经的研发工具）成为主流制造设备。测量速度变得十分重要。在此期间，推出了84000射频集成电路（RFIC）测试仪（图5）。这是一种多功能极快的网络分析仪。在某些方面，正如70年代8542自动网络分析仪的情况一样，这种多机箱集成电路测试系统引入了一些新功能。它们被融入到现在和未来的台式网络分析仪中。  图5. 84000射频集成电路测试系统 当前的技术 自2000以来，射频和微波器件的集成度急剧提高。新集成度对测试设备提出了新的要求。这便导致网络分析仪从2端口扫频测量仪器演变为具有更广泛能力的网络分析仪。早在20世纪90年代末，商用射频元件已开始利用平衡（差动）结构，以充分利用较低的功率要求和更高的隔离度。2001年，推出了4端口E5071AENA网络分析仪，实现了对这类器件的关键改进。图6示出最新的机型（E5071C）。  图6. Agilent E5071C型ENA网络分析仪 这样便提供了模拟的平衡－不平衡和混合模S参数，将平衡式测量完全引入射频领域，到2006年，对平衡测量的测试需求向微波领域延伸，利用PNA系列中的解决方案能提供高达67 GHz的这种能力。无疑，需要将这些技术扩展到更高的频率。 无线电设计的新集成度有可能将许多这类元件（平衡和单端元件）组合为具有大量输入/输出（I/O）端口的封装集成电路。尽管这类元件的总响应必须满足与包含分立元件的设计相同的准则，但集成电路中个别元件的性能、特别是在隔离度方面可能变坏。因此，十分重要的是，I/O端口应适当端接，且应考虑每个端口的失配影响。我们可以组合2端口甚至4端口修正测量，但这要求适当端接每个其它端口。测量次数以N2的方式增加。在利用较多的端口数时，这种方法将很快变得不切实际。 最近，已推出能扩大网络分析仪端口数的新一代测试仪。这些N端口系统（图7）利用内部开关和耦合器实现了测试仪与分析仪的无缝隙组合，给出能直接与２端口或4端口系统相比拟的N端口测试仪性能。此时，N端口网络分析仪的8端口和12端口式与16端口和32端口系统均能同时供货。  图7. PNA多端口系统 若按常规方式校准这类仪器十分费时。不过，已拟订出一些能缩短校准过程的方法，包括利用电子校准模块（Ecal），它在不影响测量质量的情况下只用N个连接步骤来提供已校测量的全NxN矩阵。传统的机械校准则要求多于N2个步骤。 除传统的S参数测量之外，许多集成元件还要求对噪声和失真特性进行表征的内部放大器。目前的测量解决方案是用于多个测试设备的一次连接，但将这些先进功能进一步组合到单一平台是不可避免的。20世纪90年代的84000测试仪拥有许多这样的功能。就像网络分析仪从8542演变为8720一样，我们看到体现84000大部分功能的新型台式仪器的出现。对这些元件分析仪提出的要求是，为各种的需要提供足够满意的测量手段。网络分析仪要求一个极快的扫频源，但这从根本上是与构建一个为互调测量所要求的有良好相位噪声和低失真的信号源相矛盾。 通过采用窄接收机带宽所取得的网络分析仪的宽动态范围则与噪声测量所要求的宽带宽相矛盾。所有这些使问题进一步复杂化，因为许多移动通信系统都是时域双工系统而要求进行脉冲测量。这类设备可能包括变频以及平衡输入或输出。所有这些要求必须在不放弃快速测量吞吐量的决定性要求下予以满足。 最后，上述测量中的每项测量都必须校准，以确保一致、可重复和可溯源的结果。安捷伦的新型PNA-X型网络分析仪已具备解决这些任务的基本条件。PNA-X（图8）引导向增强网络分析仪功能方向的转化，以包括超出传统S参数范围的测量。  图8. PNA-X元器件分析仪 展望未来 将传统网络分析仪与更复杂的激励－响应测试系统相结合的协同作用，改善了测量结果的总精度和校准，因为网络分析仪功能允许对测试设备与被测件之间的失配和互作用进行表征。同时，激励的类型正演变到包括复合调制、噪声甚至直流驱动。被测的响应变得更加复杂，要求对数据进行完善的后处理。因此，将多功能元件集合到单一被测件中会推动将多功能测试集合到单一的相干测试系统的发展。 一些新应用软件，如PNA中的变频器应用软件（它提供了首次完全经修正的矢量混频器校准）将继续改进，并扩大到诸如带嵌入本振的变频器和数字射频测量这样一些领域。元件对一个端口具有数字接口，而对另一个端口则具有射频接口。这类元件要求目前的逻辑分析仪和协议分析仪同射频信号源和频谱分析仪相结合。 正如通信网络正向分布式发展那样，存在着使测试分布在整个系统内的推动力。为了对这些系统进行维修和支持，需要便携式和手持式仪器。这些小型仪器需要具有以前只在多机箱系统中才存在的功能。多机箱系统的功能需分布在整个被设立在远处的网络上，也许甚至要嵌入其中。一些技术（如IEEE Standard 1588标准“精密时间协议”）将允许在这类网络上实现数据与触发同步。 人们也许试图作出对参数测试的需要可能会消失的结论。为什么对每个元件不进行功能测试？事实上，尽管功能测试将提供在生产进程末端可能采用方便的合格/不合格测试，但一些必须加以验证的功能可能会变得如此复杂，以致为确保每个装置工作在所有环境下而使真正的功能测试不切实际。例如，一个无线电系统的输入滤波器设计用于去除干扰信号。检验存在其它信号时系统是否正确的功能测试可能意味着要构建各种可能的干扰信号场景，并对误码率（BER）进行测试。检验这种系统的更有效的方法可能是将扫描正弦信号加到系统的输入端，并确定系统的截止特性。但是，随着元件之间的界面变得更难于接近，将需要确认设计和控制制造进程的新方法。 目前，有可能将Agilent逻辑分析仪嵌入到FPGA设计中。今后，只要能对最终的设计结果进行测试，那么，复杂的激励/响应功能乃至整个网络分析仪都有可能直接设计到射频电路中。随着元件之间的界面变得更加复杂以及更难探测，组合元件测试似乎可能是检验未来若干代射频和微波系统唯一合乎逻辑的解决方案。 结束语 我们已经认识到元件和网络分析仪的相互促进有助于加速技术进步。展望未来，这种相互提携现象还是会不断在模拟过程中发生，并将测试嵌入在芯片自身内部。网络分析仪将用来确定芯片组成部分的基本特性，利用模拟引擎检验芯片和嵌入的测试仪器设计。 在电子器件以外甚至小到纳米尺度的材料特性测量领域，激励/响应表征特性的方式（网络分析仪的长处）也存在着不小的机遇。这些新应用和新测量的涌现将使网络分析仪在今后许多年都能位于重要的地位。 网络分析仪校准简史 Ken Wang 网络分析仪（即矢量测量仪器）拥有应用误差修正技术来改善其精度的独特能力。最初，利用短路方式来建立反射幅度的最大电平。精密传输线、滑动负载和滑动短路器被用作阻抗标准。精密衰减器，如活塞式衰减器和旋转翼片可变衰减器，用来建立传输损耗参考电平。润滑脂笔等用来在CRT显示器上或仪表显示器上标出参考电平。这类校准方法能消除某些标量误差。8407和8410扫频矢量网络分析仪使之能修正某些矢量误差。8542使全矢量误差修正首次成为可能。还可能使一些非理想标准，如开路标准，由器件模型定义。短路－开路－负载－直通校准已全面启用。 对矢量网络分析仪（VNA）校准方法研究的升温带来了一系列直通－反射－传输线校准方式。这类校准已在8510上执行。测量精度变得受校准标准精度的限制。因此，引入了超精密参考传输线和无缝隙阴接触。为了简化校准而发明了电子校准、一次连接和软件控制的顺序校准过程。多端口、差动及非线性校准方法和标准是当前的任务。 |
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