隨著電子裝置的運作進入THz (terahertz)頻率範圍,其特性分析也變得更具挑戰性,複雜度更高。不僅如此,想要深入洞察元件效能和特性,通常必須同時使用兩種工具:向量網路分析儀(VNA)和頻譜分析儀(SA),但這也讓整體操作變得更複雜。

典型的量測作業需要頻繁地連接、斷開,再重新連接待測裝置(DUT),既不方便又耗時,還可能因此產生量測誤差、延長量測時間,而且損壞探棒、測試纜線以及甚至是DUT。

解決方案之一是將VNA和SA功能整合於單一儀器中。透過速度更快的數位器、數位訊號處理器(DSP)和中央處理器(CPU),使得高速SA功能得以實現,以便更快速地執行重要但繁瑣的量測,如搜尋突波訊號。在方塊圖的類比部份,下一步是將SA效能擴展到THz頻率範圍,同時維持VNA和SA量測所要求的功能、效能和準確度。

實現THz頻率量測

量測低於67GHz頻率的VNA測試解決方案通常採用單一的整合式儀器部署。因此,想要將VNA效能擴展到更高頻率,通常採用分散式架構。這必須使用具有升頻激發訊號和降頻響應訊號的展頻器,以支援DUT作業於THz範圍。

毫米波(mmWave)的VNA可部署為預先配置的解決方案,或是內建於現有VNA的使用者整合系統。例如,是德科技(Keysight)的N5251A mmWave網路分析儀就是這樣的整合系統,它配置涵蓋10MHz至110GHz的頻率範圍,最高可擴展至1.1THz頻率。其核心儀器是PNA系列微波網路分析儀。

這一類型的解決方案可以透過兩種方式配置:一是經由1.0mm同軸纜線進行連接的單次掃描量測;另一種是透過波導支援各種頻段的量測。

單次掃描配置基於67GHz PNA,包括一對配套的mmWave控制器(在此分別以N5261A或N5262A為例),支援2或4埠量測。它們可連接到寬頻展頻器,以提供連接mmWave測試頭端模組和網路分析儀的介面(參見圖1)。這些展頻器提供1.0mm同軸介面,可連接到頻率高達110GHz的DUT,並使用波導支援高於110GHz的頻率。

20170728_Keysight_TA31P1 在PNA微波網路分析儀中添加mmWave控制器和展頻器,可建構範圍達THz的單次掃描量測系統

這些頻段式配置(banded configuration)適用於OML和Virginia Diodes Inc.(VDI)等各種品牌的展頻器,它們使用波導來支援110GHz以上的頻率,以及67到110GHz之間的某些頻段。如圖2顯示OML展頻器的範例配置。

20170728_Keysight_TA31P2 添加展頻器以建立頻段式THz解決方案

使用內建的SA功能

選配的頻譜分析儀模式包括一個使用者介面,可顯示典型的設定參數陣列:中心頻率和頻距;開始和截止頻率;步進間隔;解析度頻寬(RBW);檢波器形狀;平均運算;以及接收器衰減(參見圖3)。將SA用於分散式配置時,請特別注意:由於內部接收器衰減器經過旁路(bypassed),因此在測試高功率DUT時可能需要使用外部衰減器。

20170728_Keysight_TA31P3 在SA設定的彈出視窗中,可針對多個量測通道選擇重要的參數

SA功能的整合實現了VNA-SA模式的快速切換,而且無需變更實體測試設定。例如,如果VNA軌跡中出現異常,則使用者可加上標記並點擊‘Marker to SA’,以啟動頻譜量測。此量測資料將顯示於新視窗,以便深入觀察和分析頻譜內容及其特性。

PNA和PNA-X還包括可導入任何DUT埠的校驗激發訊號。藉由嚴格控制頻率、振幅和直流(DC)偏移,您可極其準確地對諧波和交互調變產品進行特性分析。此外,內部脈衝產生器和調變器可透過脈衝射頻(RF)激發訊號來量測DUT,進而在寬廣的操作範圍和各種操作條件下評估DUT特性。

部署SA功能

該頻譜分析的功能建構於現有的VNA架構之上。典型的頻譜分析儀配備微波預選器(即濾波器),可在阻隔高位準訊號時,同時測量低位準訊號,以及不需要的混頻結果;如此可消除接收器諧波和影像響應。‘SA-on-VNA’的設計仰賴客製化硬體與軟體,為提供頻譜分析效能,全面消除影像和內部突波訊號。

相同的技術可用於mmWave量測的分散式VNA配置中。唯一的額外考量是,需對SA接收器進行特殊校驗,以確保量測準確度。此校驗須用到展頻器頭端以及所有相關的硬體、纜線和測試夾具。使用者可任意更換其中幾個元件,以因應特定的頻率範圍或設定要求。然而,改變測試配置時,必須執行兩種類型的校驗:功率位準和IF接收器。為了簡化這些狀況,新的高頻SA選項包括自動化校驗程序和操作指南等功能。

整合式SA的優點

將SA功能整合入VNA,以取代使用多台儀器的途徑,提供兩項重要優點:可同時執行多個量測作業,以及提高校驗準確度。

VNA配備多個測試埠,可與內部掃描訊號產生器同步,以實現多通道頻譜分析。此外,PNA或PNA-X可透過單一連接,同步量測所有的DUT埠,包括輸入頻譜、輸出頻譜、通道功率、增益壓縮、饋通、反射、轉換增益、諧波和交互調變(參見圖4)。如此可簡化混頻器、變頻器和放大器,以及高頻模組和子系統的特性分析。

20170728_Keysight_TA31P4 單連接、多通道SA功能可為所有DUT埠提供準確的同步量測

對於夾具內和晶片上量測,VNA校驗和去嵌入(de-embedding)技術是提升準確度的關鍵。這個過程有助於修正儀器的系統誤差,並消除纜線和夾具效應。它可與展頻器搭配使用,也適用於SA-on-VNA功能。此外,功率補償特性可為DUT提供已知功率的激發,藉以補償夾具或探棒的已知損耗。這樣不但可提高量測準確度,並可深入地了解DUT的真實效能。

加速搜尋突波訊號

不論是諧波或非諧波,突波都是擾人的訊號,會導致對發射器的干擾、雷達系統中的假響應,或使得通訊接收器中的動態範圍變小。因此,工程師必須先設法找出突波並加以量測,之後才能將它降低到系統或設備規格可接受的位準。

搜尋突波訊號有兩個挑戰:時間和複雜性。檢查突波效能相當耗時,特別是在寬頻範圍內搜尋低位準訊號時。在典型的混頻器和頻率轉換裝置的操作範圍內量測突波,既乏味又複雜,而且通常必須使用外部控制軟體。

利用整合式高效能的SA功能(如PNA或PNA-X系列),工程師可在寬廣的頻段中快速搜尋雜訊。相較於單機式訊號分析儀,它更能大幅地縮短測試時間(參見圖5)。同時,在加快搜尋速度時並不至於降低準確度:其量測結果可媲美當今最複雜的頻譜或訊號分析儀。

20170728_Keysight_TA31P5 隨著頻距加大,整合式SA功能提供比單機式頻譜分析儀或訊號分析儀更顯著的速度

結語

以mmWave和sub-mmWave頻率執行作業可能別具挑戰性。將選配的整合式SA功能加進分散式VNA架構,可望以單一測試設置在THz範圍內特性化元件效能與行為。這種功能整合的激發效應能夠同時在多個通道上執行頻譜分析儀量測,不僅縮短測試作業時間,並為研究人員與設計工程師提供卓越的準確度和全新的洞察力。