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VNA與TDR: 新千年的測(cè)量手段

 

       無源器件測(cè)試很快就會(huì)進(jìn)入需要專門工具的10 GHz時(shí)代。盡管只有少數(shù)數(shù)字設(shè)計(jì)師才是這些領(lǐng)域的專家,但幸運(yùn)的是,使用這些工具不再需要專門的知識(shí)。

       要點(diǎn)
      · 要描述數(shù) G 頻率下工作的無源器件的特性,不僅需要精密的儀器、夾具,還需要特別的謹(jǐn)慎小心。
VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)在必需的測(cè)量中是關(guān)鍵,但直到最近,對(duì)沒有微波技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的工程師還是一個(gè)難題。
      · 新的 VNA 組合有簡(jiǎn)化用戶界面的智能、能將頻域測(cè)量結(jié)果作時(shí)域表示的 DSP,以及在差分結(jié)構(gòu)上完成越來越多普通測(cè)量的附加端口。
      · 高性能TDR(時(shí)域反射計(jì))雖然動(dòng)態(tài)范圍不如VNA,但仍可以在某些應(yīng)用中作為VNA的低成本替代品。
       ·TDR和VNA都需要待測(cè)器件的高質(zhì)量夾接,以及從測(cè)量結(jié)果中去除夾具和電纜的影響。VNA還需要校準(zhǔn)。現(xiàn)在,自動(dòng)化功能大大簡(jiǎn)化了去除和校準(zhǔn)工作。


       盡管無源器件的概念很乏味,但要把有關(guān)器件測(cè)試的內(nèi)容寫下來,仍然會(huì)是厚厚的一本書或一系列長(zhǎng)文章。鑒于一篇文章的內(nèi)容有限,不可能容納這么多內(nèi)容,所以比較好的辦法是在無源器件的茫茫大海中挑選一個(gè)小子集,或者是電子工程師測(cè)試有選擇類型器件的少數(shù)幾類儀器。
  因此,本文將把注意力集中在 VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)和相關(guān)儀器上,如 TDR(時(shí)域反射計(jì))。VNA 一般都被歸為難以熟悉的昂貴儀器一類,因?yàn)槠鋬r(jià)格都在 3 萬美元以上,直到前不久,VNA的使用者還只是微波工程師們。微波工程師在 VNA 中要使用數(shù)學(xué)工具和分析工具、S-參數(shù)(散射參數(shù))和 Smith 圖(見附文“S 表示 Smith 圖和 S 參數(shù)”),而對(duì)缺乏高頻設(shè)計(jì)背景的電子工程師來說,這些東西常讓他們犯難,望而生畏。
  關(guān)注 VNA 的一個(gè)重要原因是無線通信的爆炸性發(fā)展,很多無線通信都用到 2.4 GHz、5 GHz 甚至更高的頻段。在這些頻段上,塊狀電路模型已不能描述元器件與網(wǎng)絡(luò)的行為,而必須采用分布式電路分析方法。VNA 參與的大多數(shù)任務(wù)都是針對(duì)線性電路的。但有些公司制造了 LSNA(大信號(hào)網(wǎng)絡(luò)分析儀),它適用于包括非線性成分的網(wǎng)絡(luò)與在大信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出非線性特性的有源電路。
  盡管 VNA 的用戶界面向來以難以測(cè)知而著稱,但掌握它也不是特別困難,至少就其基本概念來說。另外,隨著 DSP 的廣泛應(yīng)用,大多數(shù) VNA 可以把頻域的測(cè)量結(jié)果在時(shí)域中表示出來。伴隨著用戶的需求,VNA 中還增加了時(shí)域特性、許多功能的自動(dòng)化,以及迅速通過內(nèi)置智能建立簡(jiǎn)化界面的能力。針對(duì)非微波工程師的友好界面正在快速成為基本特性,因?yàn)楫?dāng) IC 和印制電路板的時(shí)鐘速率提高時(shí),越來越多的數(shù)字硬件設(shè)計(jì)者需要掌握這些頻率下的元器件特性,只有 VNA 能夠完成所需測(cè)量任務(wù),而且保證所需精度。這些設(shè)計(jì)師大部分都感到在時(shí)域中比在頻域中更能輕松自在地工作。
  但對(duì)于使用 S 參數(shù)的微波工程師,Agilent公司(它同時(shí)是 VNA 和 TDR 制造商)現(xiàn)在為自己的 86100C DCA(數(shù)字通信分析儀)軟件提供從 TDR 數(shù)據(jù)中提取 S 參數(shù)的功能(圖 1)。這樣,用戶可以根據(jù)自己的喜好采用時(shí)域測(cè)量或頻域測(cè)量,然后將數(shù)據(jù)表示在其本地域或互補(bǔ)的域中。

圖1 ZVT8 VNA可在300 kHz ~ 8 GHz范圍內(nèi)測(cè)量多端口和差分器件的特性。該系統(tǒng)提供8個(gè)端口,120 dB的動(dòng)態(tài)范圍,以及所有端口上最大13 dBm的輸出功率。每個(gè)端口上的反射計(jì)甚至可以對(duì)幾個(gè)多端口器件同時(shí)進(jìn)行測(cè)量(Rohde and Schwarz供稿)。

  只是時(shí)間問題
  Agilent公司 的新軟件強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí),即頻域與時(shí)域只不過是看待同一現(xiàn)象的不同方法。通過在 DUT(待測(cè)設(shè)備)上施加一個(gè)掃頻的正弦波激勵(lì),并用調(diào)諧到激勵(lì)頻率上的檢波器作測(cè)量, VNA 就可以完成原來 TDR 的工作,即在 DUT 上施加一個(gè)重復(fù)電壓步,并在輸入端檢測(cè)反射信號(hào)。但 TDR 是在時(shí)域完成這個(gè)檢測(cè),使用的是高速的連續(xù)等效時(shí)間采樣示波技術(shù)。在 TDT(時(shí)域發(fā)射模式)下,TDR 儀器還可以檢測(cè)其它端口的發(fā)射信號(hào),就像 VNA 可以對(duì)多端口設(shè)備的幾個(gè)端口測(cè)量傳輸特性一樣。
  VNA
相對(duì)于 TDR 的優(yōu)勢(shì)在于它天生就有較大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍,最大可達(dá) 80dB。并且,雖然 VNA 一般要比 TDR 貴得多,但并不會(huì)比 80 dB貴,也就是說,它們并不會(huì)貴上 1 萬倍,甚至連 1 百倍都不到。另外,現(xiàn)代 VNA 的掃頻速度可以很快。除非這些儀器在最高動(dòng)態(tài)范圍下測(cè)量,否則其測(cè)量速度與 TDR 不相上下。一臺(tái)高性能 TDR 的設(shè)計(jì)要圍繞一個(gè)高性能順序采樣示波器,該示波器帶有一個(gè) TDR 插件,包括一個(gè)重復(fù)階躍(脈沖)發(fā)生器和一個(gè)采樣電路。即使該示波器不完成 TDR 任務(wù)仍可能需要它。如果能為示波器增加合適的軟件,使之完成能夠滿足要求的 S 參數(shù)測(cè)量,那么就可能無需 VNA,從而節(jié)省相當(dāng)大的一筆費(fèi)用。

圖 2基于 Windows 的 86100C 數(shù)字通信分析儀,其心臟是一個(gè)超寬帶連續(xù)采樣示波器,軟件可以將 TDR 插件測(cè)得的結(jié)果表示為 S 參數(shù)( Agilent 技術(shù)公司供稿)。

  據(jù)稱TDR 另一個(gè)優(yōu)于 VNA 的地方是校準(zhǔn)的簡(jiǎn)化(甚至無需校準(zhǔn))。但是,VNA 所用探頭及應(yīng)用 VNA 系統(tǒng)的制造商稱,VNA 自動(dòng)校準(zhǔn)比 VNA 一般要求的手動(dòng)校準(zhǔn)更快,它們分別處于分鐘與小時(shí)的量級(jí)。另外他們還稱,在 40 GHz及40GHz以上的頻率下,自動(dòng)校準(zhǔn)能提供更好的精度和可重復(fù)的結(jié)果( 5% 誤差對(duì) 20%或20%以上)(參考文獻(xiàn) 1)。
  在使用 TDR 和 VNA 時(shí),必須從測(cè)量中去除將 DUT 連接至儀器的夾具與電纜的影響。這種去除工作需要對(duì)這些測(cè)量系統(tǒng)部件的影響進(jìn)行測(cè)量以及精確的描述,然后從測(cè)量數(shù)據(jù)中精確地去掉其影響。最后的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)只表示 DUT 自身的特性。這種計(jì)算通常并不簡(jiǎn)單,但現(xiàn)代高性能的儀器能夠自動(dòng)完成這種去除,這樣可以避免過多地卷入這些細(xì)節(jié),不過您可能要選擇一種校準(zhǔn)策略(參考文獻(xiàn) 1)。

  固有的寬范圍
  VNA 動(dòng)態(tài)范圍通常大于 TDR,主要原因有兩點(diǎn)。首先,VNA 采用的是掃描調(diào)諧窄帶檢波器,它的內(nèi)部噪聲固有地低于 TDR 必須使用的寬帶檢波器的內(nèi)部噪聲。其次,當(dāng)頻率變化時(shí),VNA 正弦激勵(lì)信號(hào)的波幅保持相對(duì)恒定。與之相反,TDR 輸出階躍的不同頻率成分的波幅是與諧波數(shù)成比例衰減的。因此,TDR 階躍中的高頻成分比 VNA 掃頻激勵(lì)信號(hào)的高頻成分要少得多。VNA 也提供比 TDR 更好的高頻精度,因?yàn)?TDR 在產(chǎn)生足夠的快速電壓階躍并將其無損地送至 DUT 方面會(huì)遇到困難。
  最高頻率的 VNA 可以直接測(cè)量到約 110 GHz,通過外接頻率轉(zhuǎn)換(下變頻)硬件可以測(cè)到約 320 GHz。而帶寬最寬的采樣示波器(如高性能 TDR)約為 100 GHz。要建立一個(gè) 100 GHz TDR,光有一個(gè)寬帶檢波器是不夠的。還需要一個(gè) DUT 的激勵(lì)電壓,其上升時(shí)間為 10%至 90%,步長(zhǎng)小于 4.5 ps左右。而現(xiàn)有上升時(shí)間最快的差分 TDR 脈沖可提供約 9 ps 上升時(shí)間的脈沖。此外,要將這些脈沖送至 DUT而不致惡化上升時(shí)間或產(chǎn)生其他信號(hào)反常,也需要特別的細(xì)心。由于 VNA 向 DUT 發(fā)送的是正弦波,而不是電壓階躍,因此將其連接到 DUT 的難度就低些。但在復(fù)雜頻率情況下,VNA 夾接 DUT 也要像與TDR夾接那樣非常小心。
  有一個(gè)常見的問題,即 VNA 與連接頻率跟蹤信號(hào)發(fā)生器的掃頻 SA(頻譜分析儀)有什么區(qū)別(見附文“VNA 與 SA 之比較”)?它們的主要區(qū)別在于,不帶發(fā)生器的 SA 是描述信號(hào)特性,而 VNA 則是描述網(wǎng)絡(luò)或元器件特性。但是,VNA 可以在測(cè)量相位同時(shí)還測(cè)量接收信號(hào)的幅度,而很少有 SA 能測(cè)量相位。在沒有相位信息的情況下,儀器無法將各個(gè)頻率成分正確地結(jié)合起來,重建一個(gè)非正弦波。因此,要實(shí)現(xiàn)從頻域到時(shí)域的轉(zhuǎn)換,相位與頻率之間關(guān)系的信息是不可或缺的。
  數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都知道,差分信令是提高數(shù)字系統(tǒng)時(shí)鐘速率的核心技術(shù)。這一技術(shù)放寬了對(duì)地層低電感的要求,減少了接地反跳,而且與單端信令相比,允許更小的信號(hào)擺幅。因而,VNA 技術(shù)早在差分信令普及以前就已經(jīng)為它做好了準(zhǔn)備。兩個(gè)單端 VNA 端口可以與一個(gè)差分 DUT 端口相接,而且?guī)缀跛?VNA 都至少有兩個(gè)單端端口。雖然現(xiàn)在也有一些技術(shù)可以將一個(gè)單端 VNA 端口連接到一個(gè)差分 DUT 端口,但只有兩個(gè)單端端口的 VNA 通常不足以描述差分輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性。要完成這個(gè)任務(wù),需要有四個(gè)單端端口的 VNA,它們配置成兩個(gè)差分端口。此外,需要更多 VNA 端口的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)越來越普遍。與此相適應(yīng),有更多端口的 VNA 也日益增多。例如,Rohde and Schwarz 公司最近就推出了一款八端口的儀器(圖 2)。但是,如果有合適的軟件,電子工程師也可以用雙端口 VNA 完成對(duì)差分網(wǎng)絡(luò)

的很多測(cè)量工作,一家供應(yīng)商稱它的雙端口 VNA 出貨量將繼續(xù)高于更多端口的產(chǎn)品。當(dāng)然,這樣做的原因是端口較少的儀器價(jià)格較低。
 

附文:VNA 與 SA 之比較

作者:David Ballo,Agilent Technologies
  一臺(tái) SA(頻譜分析儀)和一臺(tái) TG(跟蹤發(fā)生器)構(gòu)成了一個(gè)激勵(lì)/響應(yīng)系統(tǒng)。SA/TG 組合可以測(cè)量傳輸。但如果要測(cè)量反射,SA/TG 組合還需要一種用于將反射信號(hào)從入射信號(hào)中分離出來的設(shè)備。完成這一功能可以用一個(gè)定向橋或定向耦合器。與 SA/TG 組合相比,VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)有三點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)。
  方便:對(duì)一個(gè)雙端口器件而言,SA/TG 在一個(gè)時(shí)間只能測(cè)量一件事(例如,正向的傳輸或反向的反射),而一臺(tái)雙端口 VNA 在相同設(shè)置下(正向傳輸與反射,反向傳輸與反射)可以測(cè)量所有四個(gè) S 參數(shù)(散射參數(shù))。在測(cè)試平衡設(shè)備時(shí),一臺(tái)四端口 VNA 可以比 SA/TG 對(duì)更方便。VNA 一次可以測(cè)量 16 個(gè) S 參數(shù),而 SA/TG 組合每個(gè)時(shí)刻只能測(cè)一個(gè)。
  相位:大多數(shù) SA 只有一個(gè)接收機(jī),只能測(cè)量一個(gè)信號(hào)的幅度。對(duì)元器件相位響應(yīng)的測(cè)試需要測(cè)量測(cè)試信號(hào)與入射信號(hào)之間的相位差,這需要至少兩臺(tái)接收機(jī)。(VNA 一般有三到四臺(tái)接收機(jī),以測(cè)量正向和反向響應(yīng)。)有些 SA(如 VSA,矢量信號(hào)分析儀)也可以測(cè)量相位,但他們分析的是相對(duì)于載波的調(diào)制相位。盡管某些 VSA 有兩個(gè)可測(cè)比率相位的接收機(jī),但信號(hào)發(fā)生器和 VSA 的調(diào)制帶寬一般不足以覆蓋測(cè)試無源器件帶內(nèi)、帶外響應(yīng)所需求的頻率范圍。
  準(zhǔn)確性:VNA 采用復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法,去除測(cè)試系統(tǒng)中無用的內(nèi)容,如電纜損耗和與頻率的不匹配。這種糾錯(cuò)級(jí)別需要幅度和相位信息。SA 在糾正系統(tǒng)發(fā)生誤差時(shí),只能作簡(jiǎn)單的歸一化,其結(jié)果不是非常準(zhǔn)確。例如,在高頻測(cè)量中,歸一化無法去除由于測(cè)試系統(tǒng)電纜與待測(cè)器件輸入、輸出不匹配而造成的錯(cuò)誤紋波。

 

 
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