射頻和微波系統及元件的安裝、故障排除和維護,都需要在各種室內和室外環境及條件下,對其反射和傳輸特性進行量測。這類量測通常會以具野外使用校驗功能的手持式向量網路分析儀(VNA)進行。由於測試通常在極端條件下進行,範圍可從安裝戶外訊號塔和訊號桿的高海拔環境,到輪船、飛機和車輛應用所需之密閉空間,因此量測準確度、校驗便捷性、掃描速度和分析儀可攜性都非常重要。所需的量測可透過具有簡單使用者校驗和快速量測掃描功能的VNA輕鬆進行,這些功能FieldFox手持式分析儀皆可提供。

使用VNA時,量測準確度直接與所選使用者校驗類型和相關測試配置有關。測試配置包括連接待測裝置(DUT)和VNA所需的測試纜線和轉接器。FieldFox的可用校驗類型包括儀器開啟時即可使用的內建校驗(CalReady)和較複雜的使用者校驗,後者需透過一組高品質校驗標準進行量測。

選擇校驗類型(cal type)時通常需在量測準確度、速度和校驗過程複雜度之間進行取捨。例如,圖1中顯示使用兩種不同FieldFox校驗類型對一小段同軸電纜進行插入損耗量測(S21)的比較。黃色軌跡表示稱為QuickCal的創新校驗類型進行之纜線量測,藍色軌跡則代表使用傳統全2埠機械校驗對相同纜線所進行的量測。使用者在全2埠校驗過程中需對各種高品質校驗標準進行七次連接,執行QuickCal時則無需任何校驗標準。如圖所示,兩種量測結果差異非常小,但QuickCal的校驗過程很簡單,非常便於現場作業。一般來說,由於各測試配置可能需在FieldFox和DUT之間使用轉接器和測試纜線,因此了解FieldFox各種可用校驗類型的應用和限制非常重要。本應用說明將探討VNA校驗的新發展,並會比較使用不同校驗類型對各種射頻和微波裝置(包括纜線、濾波器和放大器)進行校驗後的量測結果。

20190821TA31P1 圖1 使用Keysight FieldFox VNA提供的全2埠校驗(藍色)和快速QuickCal(黃色)來量測同軸電纜的結果比較。

分析儀硬體配置

本節將介紹各種適用單埠和雙埠裝置量測的FieldFox硬體配置。FieldFox手持式分析儀包括VNA、纜線和天線測試(CAT)分析儀、頻譜分析儀,以及於單一儀器中整合VNA、CAT和頻譜分析儀功能的組合分析儀。FieldFox是一款適合於野外使用的精密儀器,符合MIL-PRF-28800F Class 2和MIL-STD-810G、Method 511.5、Procedure 1要求,可在爆炸環境中進行量測(透過類型測試)。Class 2設備專為最惡劣的環境設計,包括不受保護和不受控制的環境條件。採用VNA配置時,FieldFox可以量測複雜的元件參數,如單埠與雙埠DUT反射和傳輸特性的幅度及相位。量測到的複雜參數又稱為散射參數(S參數),稍後將於本應用說明中進行討論。採用CAT分析儀配置時,FieldFox也會量測DUT的反射和傳輸特性,但只會報告幅度特性。

VNA和CAT兩種模式都包含創新的QuickCal,可消除任何與儀器相連接的測試纜線和轉接器 影響,並修正校驗中因溫度變化而產生的漂移誤差。採用頻譜分析儀配置時,FieldFox即為一款高效能接收器,能夠量測已知與未知訊號、干擾和/或雜訊的頻率內容。FieldFox頻譜分析儀不僅具備桌上型頻譜分析儀的功能,更包含一種稱為InstAlign的獨特功能,開啟後便可於-10℃~+55℃間為整個射頻和微波頻率範圍提供更高的振幅精準度。本應用說明會繼續將重點放在FieldFox VNA的VNA量測和校驗功能。

網路分析儀硬體可決定DUT的量測方式:使用傳輸/反射(T/R)硬體配置進行正向量測,或使用全2埠配置進行正向與反向量測。圖2a顯示採用T/R硬體配置的FieldFox VNA輸出和輸入訊號路徑。測試訊號在T/R配置下會由分析儀的連接埠1發出,並以輸入至DUT的反射訊號或透過DUT的傳輸訊號方式進行正向量測。在此配置下,反射訊號會在分析儀的連接埠1量測,正向訊號傳輸量測則在分析儀的連接埠2進行。使用T/R配置時,進行反向量測必須先中斷連線DUT,調轉方向,然後再重新連線。圖2b則說明採用全2埠硬體配置的VNA。在這種配置中,DUT參數可以正向和反向量測,無需調轉元件分析儀中的開關矩陣,並可在連接埠1和連接埠2之間路由入射測試訊號。使用全2埠配置不僅便於雙向量測DUT,還可對測試系統的大部分系統誤差進行特性分析並將其消除,以達最高量測精準度。

20190821TA31P2 圖2 使用配備(a)傳輸/反射(T/R)硬體和(b)全2埠硬體的分析儀進行DUT量測時之網路分析儀訊號路徑。

系統誤差特性分析會在使用者校驗過程中進行,而全2埠校驗是最精準的VNA校驗方式之一。本應用說明將討論並比較幾種校驗類型,其中包括全2埠校驗、增強響應校驗,以及精準度較低但操作非常簡單的響應(正規化)校驗。採用全2埠硬體配置的FieldFox VNA可執行所有可用校驗類型。採用T/R硬體配置的FieldFox則僅可執行增強響應校驗和響應(正規化)校驗。

系統誤差

系統誤差由測試纜線、轉接器和分析儀元件的頻率響應,分析儀洩露路徑(通常位於內部),以及DUT和分析儀之間的多次反射造成。使用者校驗的功能之一便是對系統誤差進行特性分析,並以數學方法將其自量測結果中消除。某些類型的使用者校驗只能校驗一部分誤差,使得DUT量測結果精準度降低。圖3說明使用全2埠校驗(黃色)和增強響應校驗(藍色)對同軸電纜進行傳輸響應(S21)校驗的比較。

20190821TA31P3 圖3 使用FieldFox CalReady 2埠校驗和CalReady增強響應校驗進行同軸電纜量測的比較。

由於全2埠校驗能夠修正測試系統中大部分的系統誤差,因此其量測精準度最高。若要使用全2埠校驗消除所有系統誤差,需在校驗和DUT量測過程中進行正向和反向掃描。若以增強響應校驗類型進行校驗和DUT量測則只需掃描正反其中一個方向即可,因此可加快整體量測速度。增強響應校驗不能修正全部系統誤差,因此精準度比全2埠校驗低。如圖3所示,以增強響應校驗進行的纜線量測因未修正的系統誤差而在量測頻率範圍內出現了漣波。圖3中顯示的兩種量測均採用FieldFox分析儀的創新型CalReady校驗來進行。

CalReady是一種隨時可用的內建校驗,無需使用者手動校驗。本應用說明將討論CalReady和FieldFox VNA中其他可用的校驗類型,以及如何在精準度、速度及校驗複雜度之間進行取捨。

S參數量測和顯示格式

如前所述,通常會對VNA進行配置以量測和顯示DUT的反射及傳輸屬性,也叫做散射參數(S參數)。S參數即是量測訊號和入射訊號的比率。FieldFox VNA已包含所有適合量測和計算這些訊號比的硬體,因此操作人員只需熟悉S參數的定義,及其與特定裝置規格之間的關係即可。圖4說明了雙埠DUT的S參數定義,單埠裝置將有一個S參數,雙埠裝置則有四個S參數。使用者決定以哪個DUT連接埠為連接埠1或連接埠2,通常會與DUT的預定操作有所關聯。例如,可以將放大器的輸入定義為連接埠1,輸出為連接埠2。如此一來放大器的正向傳輸參數就是從連接埠1到連接埠2的增益。圖4中S11參數被定義為來自DUT連接埠1的反射。S22被定義為來自DUT連接埠2的反射參數;S21為連接埠1到連接埠2的正向傳輸參數;S12則為反向傳輸參數。

20190821TA31P4 圖4 2埠DUT的S參數定義。

對很多被動元件(包括同軸電纜、濾波器、波導元件、耦合器和功率分配器)來說,正向傳輸參數S21等於反向傳輸參數S12,即S21=S12。這種類型的DUT被視為具有「互易性」。放大器、循環器,以及大多數含有半導體和鐵氧體的主動元件則具有「非互易性」。非互易性元件的正向傳輸(例如放大器的增益)不等於反向傳輸(例如放大器的反向隔離),即S21≠S12。瞭解元件為互易性元件還是非互易性元件,在選擇增強響應校驗時將變得非常重要,本應用說明稍後會討論這個問題。

正向反射參數S11和反向反射參數S22在所有元件類型下通常不相等。圖5說明對採用全2埠配置的FieldFox VNA進行量測,所得到的四個13GHz帶通濾波器S參數。如前所述,全2埠配置可透過單一分析儀連線來量測四個S參數。S11和S22反射參數在5~18GHz量測頻率範圍內的響應略有不同。S21和S12的響應相同,在被動式濾波器等互易性元件中是可預期的結果。有關圖5中所顯示的量測結果,FieldFox是透過最精準的全2埠校驗類型來進行校驗。圖5中的四個S參數量測值均以典型的「LogMag」格式顯示,Y軸則以分貝值(dB)表示。使用VNA量測到的S參數為複數,可以轉換為多種顯示格式,包括線性振幅、VSWR、史密斯圖、極性、相位、群組延遲以及實部和虛部。幸運的是,FieldFox可管理所有必要的計算結果,並適當顯示所需格式。

20190821TA31P5 圖5 測得的13GHz帶通濾波器之S參數。

眾所周知,S參數是相對量測值,理論上不受外加功率位準影響。例如,在量測一條理想短路傳輸線的S11參數時,反射訊號和入射訊號的比率具有1或0dB的線性振幅(=20LOG(|S11|))。無論入射訊號功率為1皮瓦還是100瓦,短路線路的S11量測值均相同。這一狀況符合被動元件的S參數量測。顯然在量測放大器時,一旦放大器開始進入飽和狀態,S參數便將隨入射功率而有所不同。在本應用說明中,假定放大器在小訊號或非飽和模式下運作,且增益在一定的入射功率範圍內保持恆定。

在量測放大器和其他對輸入功率位準敏感的元件時,可以調整FieldFox測試埠功率,以最佳化量測精準度並避免主動元件和分析儀中出現過載。FieldFox VNA具有三種設定入射(測試埠)功率位準的模式——高輸出功率、低輸出功率,以及允許操作人員手動設定測試埠功率的設定。

FieldFox的預設設定為高輸出功率,可達到最高的量測精準度和動態範圍,而低功率或手動設定則適用於量測高增益放大器或任何對驅動功率敏感的元件。圖6的量測範例顯示了測試埠功率和顯示動態範圍之間的關係。

20190821TA31P6 圖6 使用FieldFox高輸出功率設定(黃色)和低輸出功率設定(藍色)對13GHz帶通濾波器響應進行量測的比較。

該圖比較了使用高輸出功率設定(黃色軌跡)和低輸出功率設定(藍色軌跡)對13GHz帶通濾波器S21參數的量測。在此濾波器的中心通帶內,S21量測結果是相同的,但當使用低功率設定時,雜訊明顯比拒帶高。FieldFox接收器訊號的低訊號雜訊比會導致雜訊位準增加,而濾波器會降低拒帶的訊號位準。在低SNR條件下可降低FieldFox的中頻頻寬(IF BW),以改善分析儀的雜訊位準。IF BW可在10Hz~100kHz的範圍內進行調節。透過高輸出功率設定並將IF BW設定為最小值,便可達到最大動態範圍和準確度。

在本應用說明的下篇,將仔細說明校驗FieldFox測試埠和機械校驗的詳細步驟。

本文同步刊登於EE Times 8月號雜誌

 
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