無源器件測試很快就會進入需要專門工具的10 GHz時代。盡管只有少數(shù)數(shù)字設計師才是這些領域的專家,但幸運的是,使用這些工具不再需要專門的知識。
要點
· 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,還需要特別的謹慎小心。
VNA（矢量網絡分析儀）在必需的測量中是關鍵,但直到最近,對沒有微波技術經驗的工程師還是一個難題。
· 新的 VNA 組合有簡化用戶界面的智能、能將頻域測量結果作時域表示的 DSP,以及在差分結構上完成越來越多普通測量的附加端口。
· 高性能TDR（時域反射計）雖然動態(tài)范圍不如VNA,但仍可以在某些應用中作為VNA的低成本替代品。
·TDR和VNA都需要待測器件的高質量夾接,以及從測量結果中去除夾具和電纜的影響。VNA還需要校準�，F(xiàn)在,自動化功能大大簡化了去除和校準工作。
盡管無源器件的概念很乏味,但要把有關器件測試的內容寫下來,仍然會是厚厚的一本書或一系列長文章。鑒于一篇文章的內容有限,不可能容納這么多內容,所以比較好的辦法是在無源器件的茫茫大海中挑選一個小子集,或者是電子工程師測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（矢量網絡分析儀）和相關儀器上,如 TDR（時域反射計）。VNA 一般都被歸為難以熟悉的昂貴儀器一類,因為其價格都在 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)”）,而對缺乏高頻設計背景的電子工程師來說,這些東西常讓他們犯難,望而生畏。
關注 VNA 的一個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絡的行為,而必須采用分布式電路分析方法。VNA 參與的大多數(shù)任務都是針對線性電路的。但有些公司制造了 LSNA（大信號網絡分析儀）,它適用于包括非線性成分的網絡與在大信號驅動時表現(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 的廣泛應用,大多數(shù) VNA 可以把頻域的測量結果在時域中表示出來。伴隨著用戶的需求,VNA 中還增加了時域特性、許多功能的自動化,以及迅速通過內置智能建立簡化界面的能力。針對非微波工程師的友好界面正在快速成為基本特性,因為當 IC 和印制電路板的時鐘速率提高時,越來越多的數(shù)字硬件設計者需要掌握這些頻率下的元器件特性,只有 VNA 能夠完成所需測量任務,而且保證所需精度。這些設計師大部分都感到在時域中比在頻域中更能輕松自在地工作。
但對于使用 S 參數(shù)的微波工程師,Agilent公司（它同時是 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)自己的喜好采用時域測量或頻域測量,然后將數(shù)據(jù)表示在其本地域或互補的域中。
圖1 ZVT8 VNA可在300 kHz ~ 8 GHz范圍內測量多端口和差分器件的特性。該系統(tǒng)提供8個端口,120 dB的動態(tài)范圍,以及所有端口上最大13 dBm的輸出功率。每個端口上的反射計甚至可以對幾個多端口器件同時進行測量（Rohde and Schwarz供稿）。
只是時間問題
Agilent公司 的新軟件強調了一個事實,即頻域與時域只不過是看待同一現(xiàn)象的不同方法。通過在 DUT（待測設備）上施加一個掃頻的正弦波激勵,并用調諧到激勵頻率上的檢波器作測量, VNA 就可以完成原來 TDR 的工作,即在 DUT 上施加一個重復電壓步,并在輸入端檢測反射信號。但 TDR 是在時域完成這個檢測,使用的是高速的連續(xù)等效時間采樣示波技術。在 TDT（時域發(fā)射模式）下,TDR 儀器還可以檢測其它端口的發(fā)射信號,就像 VNA 可以對多端口設備的幾個端口測量傳輸特性一樣。
VNA
相對于 TDR 的優(yōu)勢在于它天生就有較大的測量動態(tài)范圍,最大可達 80dB。并且,雖然 VNA 一般要比 TDR 貴得多,但并不會比 80 dB貴,也就是說,它們并不會貴上 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態(tài)范圍下測量,否則其測量速度與 TDR 不相上下。一臺高性能 TDR 的設計要圍繞一個高性能順序采樣示波器,該示波器帶有一個 TDR 插件,包括一個重復階躍（脈沖）發(fā)生器和一個采樣電路。即使該示波器不完成 TDR 任務仍可能需要它。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)測量,那么就可能無需 VNA,從而節(jié)省相當大的一筆費用。
圖 2基于 Windows 的 86100C 數(shù)字通信分析儀,其心臟是一個超寬帶連續(xù)采樣示波器,軟件可以將 TDR 插件測得的結果表示為 S 參數(shù)（ Agilent 技術公司供稿）。
據(jù)稱TDR 另一個優(yōu)于 VNA 的地方是校準的簡化（甚至無需校準）。但是,VNA 所用探頭及應用 VNA 系統(tǒng)的制造商稱,VNA 自動校準比 VNA 一般要求的手動校準更快,它們分別處于分鐘與小時的量級。另外他們還稱,在 40 GHz及40GHz以上的頻率下,自動校準能提供更好的精度和可重復的結果（ 5% 誤差對 20%或20%以上）（參考文獻 1）。
在使用 TDR 和 VNA 時,必須從測量中去除將 DUT 連接至儀器的夾具與電纜的影響。這種去除工作需要對這些測量系統(tǒng)部件的影響進行測量以及精確的描述,然后從測量數(shù)據(jù)中精確地去掉其影響。最后的數(shù)據(jù)應當只表示 DUT 自身的特性。這種計算通常并不簡單,但現(xiàn)代高性能的儀器能夠自動完成這種去除,這樣可以避免過多地卷入這些細節(jié),不過您可能要選擇一種校準策略（參考文獻 1）。
固有的寬范圍
VNA 動態(tài)范圍通常大于 TDR,主要原因有兩點。首先,VNA 采用的是掃描調諧窄帶檢波器,它的內部噪聲固有地低于 TDR 必須使用的寬帶檢波器的內部噪聲。其次,當頻率變化時,VNA 正弦激勵信號的波幅保持相對恒定。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 掃頻激勵信號的高頻成分要少得多。VNA 也提供比 TDR 更好的高頻精度,因為 TDR 在產生足夠的快速電壓階躍并將其無損地送至 DUT 方面會遇到困難。
最高頻率的 VNA 可以直接測量到約 110 GHz,通過外接頻率轉換（下變頻）硬件可以測到約 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 100 GHz TDR,光有一個寬帶檢波器是不夠的。還需要一個 DUT 的激勵電壓,其上升時間為 10%至 90%,步長小于 4.5 ps左右。而現(xiàn)有上升時間最快的差分 TDR 脈沖可提供約 9 ps 上升時間的脈沖。此外,要將這些脈沖送至 DUT而不致惡化上升時間或產生其他信號反常,也需要特別的細心。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。
有一個常見的問題,即 VNA 與連接頻率跟蹤信號發(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 是描述信號特性,而 VNA 則是描述網絡或元器件特性。但是,VNA 可以在測量相位同時還測量接收信號的幅度,而很少有 SA 能測量相位。在沒有相位信息的情況下,儀器無法將各個頻率成分正確地結合起來,重建一個非正弦波。因此,要實現(xiàn)從頻域到時域的轉換,相位與頻率之間關系的信息是不可或缺的。
數(shù)字系統(tǒng)設計師都知道,差分信令是提高數(shù)字系統(tǒng)時鐘速率的核心技術。這一技術放寬了對地層低電感的要求,減少了接地反跳,而且與單端信令相比,允許更小的信號擺幅。因而,VNA 技術早在差分信令普及以前就已經為它做好了準備。兩個單端 VNA 端口可以與一個差分 DUT 端口相接,而且?guī)缀跛?VNA 都至少有兩個單端端口。雖然現(xiàn)在也有一些技術可以將一個單端 VNA 端口連接到一個差分 DUT 端口,但只有兩個單端端口的 VNA 通常不足以描述差分輸入、輸出網絡的傳輸特性。要完成這個任務,需要有四個單端端口的 VNA,它們配置成兩個差分端口。此外,需要更多 VNA 端口的復雜網絡越來越普遍。與此相適應,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 完成對差分網絡
的很多測量工作,一家供應商稱它的雙端口 VNA 出貨量將繼續(xù)高于更多端口的產品。當然,這樣做的原因是端口較少的儀器價格較低。
附文：VNA 與 SA 之比較
作者：David Ballo,Agilent Technologies
一臺 SA（頻譜分析儀）和一臺 TG（跟蹤發(fā)生器）構成了一個激勵/響應系統(tǒng)。SA/TG 組合可以測量傳輸。但如果要測量反射,SA/TG 組合還需要一種用于將反射信號從入射信號中分離出來的設備。完成這一功能可以用一個定向橋或定向耦合器。與 SA/TG 組合相比,VNA（矢量網絡分析儀）有三點明顯的優(yōu)勢。
方便：對一個雙端口器件而言,SA/TG 在一個時間只能測量一件事（例如,正向的傳輸或反向的反射）,而一臺雙端口 VNA 在相同設置下（正向傳輸與反射,反向傳輸與反射）可以測量所有四個 S 參數(shù)（散射參數(shù)）。在測試平衡設備時,一臺四端口 VNA 可以比 SA/TG 對更方便。VNA 一次可以測量 16 個 S 參數(shù),而 SA/TG 組合每個時刻只能測一個。
相位：大多數(shù) SA 只有一個接收機,只能測量一個信號的幅度。對元器件相位響應的測試需要測量測試信號與入射信號之間的相位差,這需要至少兩臺接收機。（VNA 一般有三到四臺接收機,以測量正向和反向響應。）有些 SA（如 VSA,矢量信號分析儀）也可以測量相位,但他們分析的是相對于載波的調制相位。盡管某些 VSA 有兩個可測比率相位的接收機,但信號發(fā)生器和 VSA 的調制帶寬一般不足以覆蓋測試無源器件帶內、帶外響應所需求的頻率范圍。
準確性：VNA 采用復雜的數(shù)學方法,去除測試系統(tǒng)中無用的內容,如電纜損耗和與頻率的不匹配。這種糾錯級別需要幅度和相位信息。SA 在糾正系統(tǒng)發(fā)生誤差時,只能作簡單的歸一化,其結果不是非常準確。例如,在高頻測量中,歸一化無法去除由于測試系統(tǒng)電纜與待測器件輸入、輸出不匹配而造成的錯誤紋波。
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