提高RF微波测试正确性的六大秘诀

shuszhao

尽管大部分的RF 和微波测试系统所要量测的对象只有区区几种广泛的类别——放大器、发射器、接收器等，但每一套个别的系统却会面临一些不同的环境条件、要求和挑战。虽然每一种状况可能都不一样，不过当您在定义任何的RF和微波测试系统时，却有三项共通的因素会相互影响：效能、速度与稳定（repeatability）。在每一位系统开发者面临的状况各有不同的情况下，能否在这三项因素间做最佳的取捨将关系着量测结果是否能达到要求的正确性（integrity）水准。
在DUT 到量测仪器之间的路径上（图1），有许多个点都会出现这些因素的取捨时机，本文建议了一个考量这些取捨因素的架构，并且提供六大秘诀，教您如何克服RF 信号路径上常会碰到的问题。

                               
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图1：在所有的测试系统架构下，都有很多的机会可以在效能、速度与稳定之间求取最佳的平衡，以控管量测的正确性。


秘诀一：排定效能、速度与稳定的优先顺序

为了让全部六大秘诀有论述的依据，有必要先釐清我们对效能、速度及稳定的定义。在大部分的情况下，只有其中一个或两个因素会成为首要的考量条件，主导您的测试需求与设备的选择。无论如何，仔细地审视效能、速度与稳定之间的相互影响与取捨关系（如表1 到表3 的摘要所列），将可协助您掌控特有的需求状况。


基本的定义

在RF 和微波测试设备中，科技对“效能”的定义主要指的是仪器的准确度、量测范围和频宽。仪器的准确度包括明订的振幅和频率量测绝对准确度；量测范围指的是动态范围、失真、噪音位准和噪音，这些属性会影响信号位准量测的精确度；而频宽则是指可以处理和分析的频率宽度或资料速率。速度测试系统的速度或Throughput 会取决于所使用的硬件、输入/ 输出（I/O）介面和软件，我们的重点将放在硬件和四项会影响速度的因素上：量测设定时间、量测执行时间、资料处理时间、以及资料传输时间。在RF 和微波的频率，设定时间中非常重要的一环就是DUT 或测试系统在每次变更（例如切换器的开或闭、功率位准改变）之后， 所需的稳定时间（settling time）。
稳定一致性对任何测试系统来说，每一次的测试以及每天的测试都能产生一致的结果是非常重要的。然而，稳定佳并不代表精确度也高，因为精确度会取决于个别仪器的效能，而稳定指的是无论明订的准确度为何，所量测到的结果都是一致的。就每一部仪器而言，稳定可能会因某些量测或模式而异，因此查看产品的规格或询问制造商是很重要的。在某些程度内，透过更多次的平均，或修改演算法以准确地逼近符合标准量测方法所得到的结果，将可以提高稳定。将量测设定（如中心频率、频距和衰减位准）的改变次数减到最少，可以达到最佳的稳定一致性。


三者的关系概述

DUT 的测试要求和商业上的考量可以协助您评估效能、速度与稳定之间的相对重要性，一旦您确立了首要的考量条件及其要求的高低程度后，就比较容易理出彼此的关系及其对系统的影响。表1、表2 和表3 分别就两种状况：首要考量条件的要求为高或低，摘要整理了相互间的影响关系。


稳定与效能

在表1 和表3 中，稳定与效能之间有一个重要的第二层关系，这是由量测不确定度所串起的一种间接关系。面对不确定度时，有些系统开发人员会设计一个“误差量”（error budget），其大小取决于测试要求与系统不确定度之间的差距。影响不确定度的两大主要因素是绝对准确度（仪器的效能）和量测一致性（稳定）。如果系统中的仪器具有很高的绝对准确度，那么误差量中就有较大的空间可以容忍较低的稳定。如果仪器可以提供一致的结果，那么误差量中也会有较大的空间可以容忍较低的绝对准确度。


多项要求皆“高”

若要满足“高速与高稳定”或“高效能与高速”这类多重的要求，可能就需要使用复杂精密的仪器，其价格相较于能力较差的设备自然会稍微高一些。不过，许多高性能的仪器中可能会内建，可以加快一些耗时的作业，如平均计算和校准。有些机种也可能包含多种演算法，可以计算诸如相邻频道功率（ACP）等参数。如果全部三项要求皆“高”，就必须仔细检查系统的每一个部份－测试设备、切换子系统、缆线、接头等。最佳的解决方案很可能价格也不低，但可以提供一些额外的功能和优点。


秘诀二：审视DUT 的本质和特性

自动化测试系统可以执行三项基本的任务：提供信号源、进行量测、以及进行切换，至于该使用哪一种信号产生器、功率錶、分析仪、网路分析仪、切换矩阵（switch matrix）和缆线，则取决于DUT 的电性和机构属性。在RF 和微波的频率，有一些基本的特性需要特别留意。


电性参数

DUT 的基本性质是主要的考量：它是被动和线性的，或是主动和非线性的？被动的线性元件较容易处理，因为它们在整个工作频宽范围内所有允许的输入功率位准下，增益和相位偏移量一般都是固定的。相反地，主动元件就需要格外谨慎，因为它们通常具有非线性的工作区域，对输入功率相当敏感，可能会在不同的位准产生不同的结果。如此一来，可能就需要在测试系统中加入放大器或衰减器，以精确地控制功率位准，而且也许还要加入耦合器，将输入到DUT 的功率位准分一些出来并确认是否正确。这些额外加入的东西千万不能轻忽：在高频下，每一个系统组成要件都具有复数的值（伴随有S参数），而且每多一项连接就有可能与DUT 产生不必要的相互影响。


避免不匹配：任何连接线的阻抗不匹配

都可能造成注入损耗（insertion loss），而损耗掉信号源或量测信号的一些功率。众所周知，在高频下功率是很昂贵的，而且如果必须在很广的频率范围提供所需功率的话，还会变得更加昂贵。秘诀：使用精确度高的缆线和配件，且要使用向量式网路分析仪（VNA）充分量测缆线和配件的实际阻抗，特别是如果DUT 是主动元件的话。


将VSWR 降到最低

切换矩阵加上其接头、内部和外部缆线、甚至是任何RF 缆线的弯曲半径等组合，可能因DUT 的电压驻波而产生误差。秘诀：若要将这项误差减到最小，可以使用电压驻波比（VSWR）规格为1：2：1 或更佳的切换矩阵。


增加隔离度

如果您的测试需要同时量测高位准和低位准的信号，则切换矩阵的隔离度规格将会影响量测的正确性。秘诀：如果通过DUT 的路径有很多条，可以使用信号产生器和频谱分析仪，尽可能地量测出隔离度的特性。如果无法做到这一点，则系统在配置和设定时，应该将高位准和低位准的信号绕接到不相邻的路径上，或绕经不同的切换器。


机构属性

另外一组需要考量的细节是信号和（交流电或直流电）接头的数量和类型，这会影响所需的切换矩阵大小，以及系统接线的复杂度等因素。秘诀：使用埠数足够的切换矩阵，一次就可以接好系统到DUT 的所有连接，这样一来，就可以将等待信号稳定所需的延迟时间缩到最短，并且将功率位准突然改变而损坏切换矩阵或DUT 的机率降到最低。


秘诀三：瞭解、量测及修正RF 信号路径的特性

没有经过额外的修正，产品的规格最多只能延伸到位于仪器输入和输出接头上的“校准”（calibration plane）而已。若要得到准确又稳定一致的量测结果，以及修正过的DUT 结果，我们建议将校准面往外推，尽可能地靠近DUT。不论路径是被动或主动的，DUT 是位在本端或远端，都有几种方法可以做到。


被动路径的处理方式

元件在整个频宽范围内所有允许的输入功率位准下，都有固定的增益和相位偏移量。然而，沿着被动路径所接出去的每一条接线上可能会有阻抗不匹配的情形，因而造成注入损耗和相位偏移（或延迟）。在高频下，连简单的被动元素也会变成复杂的传输线元素，无法直接将路径上的损耗和相位偏移用简单的代数法相加得出。秘诀：使用VNA 来量测整个相连的路径或分析每一项元素的S 参数特性，并使用向量学来模拟整个路径的总损耗和相位偏移量。这些数值可以储存在系统的PC 中，并且视需要予以套用，以修正量测结果，或者供网路分析仪使用，例如用来即时地调整滤波器和其他变动的DUT。


修正主动的路径

主动元件的效能会随着输入功率的改变而不同，若要提高量测的准确度，其做法会取决于元件是在其线性或非线性的响应区内工作。如果一个主动元件（如放大器）在校准和量测作业期间，是在远低于其1 dB 压缩点的线性区内工作，则可以在该区内的任何功率位准下进行准确的修正。
秘诀：如果主动元件是在其非线性的响应区内工作，则校准时也必须使用量测用的功率位准，以确保能够做准确的修正。如果需要在非线性模式下，于多个功率位准进行量测，那么也必须在每一个位准下分别进行校准，并储存起来供日后使用。
秘诀：在DUT 的频率范围内，检查主动元件的。同样地，您应该在特定的功率位准下量测整个路径，或是分析每一个介面的S 参数特性，并使用向量学，产生一个可以在事后套用或即时套用的模型。
秘诀：为了简化量测和修正RF 信号路径特性的作业，有些系统开发人员会尽可能少用主动元件，这样做可以减少校准的工夫，以及在非线性模式工作时，因功率位准改变而造成误差的机会。


DUT 的距离－近或远

不论DUT 是固定在测试系统的夹具上，或是位在几码外的测试室中，要进行准确的修正有时相当困难。固定在夹具上的量测极具挑战性，因为路径通常会包括从同轴缆线转换到微带线式（microstripbased）的短路、开路和负载上。秘诀：如果无法使用高品质的微带线组件的话，就需要使用网路分析仪来量测夹具、模拟阻抗、以及将那些效应从量测结果中消除。当DUT 位在远端时，主要的问题出在缆线距离长所造成的路径衰减，以及因温度变化和缆线弯曲所造成的路径差异。秘诀：若可能的话，应量测仪器和DUT之间的整个路径，或是量测路径上每一个相关的元素，并使用向量学将其复数响应值合起来，以分析出路径衰减的程度。


秘诀四：别轻忽了所有与仪器相连的东西

设备制造商在订定每一部仪器的效能规格时，最多只会提供到面板上供应信号和量测信号用之接头的规格而已。从接头开始，所有出现在仪器和DUT 之间的东西都可能会影响仪器的效能和量测的稳定一致性。在RF 和微波的频率及功率位准下，通常有三大罪魁祸首：缆线、切换器和信号整波器（signal conditioner）。


选择正确的缆线类型

订定测试系统的规格时，需决定要使用哪一种缆线来连接各个装置，而且您可能还可以指定切换矩阵中所要使用的类型。一般的原则是，稳定的缆线具有较低的注入损耗和较佳的VSWR，因此量测的稳定一致性较高。在高频下，最常使用的三种缆线类型为： 半硬式（ s e m i -rigid）、软性（conformable）和弹性（flexible）的缆线。


半硬式缆线

顾名思义，这种缆线不会轻易地改变形状，可确保极佳的效能和稳定。高品质的半硬式缆线在生产制造的过程中，可透过施以符合MIL 标准的温度循环刺激（temperature cycling）法，达到更高的稳定度。在成形步骤后使用温度循环刺激法，可以消除内部的压力，避免已成形的缆线日后变形。这些缆线中使用之介电质的品质也会影响其量测的效能。Solid Teflon是最常用的，但会造成注入损耗。Expanded Teflon是目前最佳的替代品，可提供较低的注入损耗和较宽的频率范围。这种对细节的注重全都会反映在这些缆线的成本上，相较于软性或弹性的缆线，其价格高出许多。


软性缆线

这种缆线的稳定度比半硬式缆线差，因为它们很容易塑形和重新塑形，这样的弹性会影响量测的稳定和长期的可靠度。


弹性缆线

有时又称为“ 测试仪器等级的缆线”，通常可以提供良好的相位稳定度和低注入损耗，但相对地价格也不低。这种缆线的维护需求较高，使用时需要额外地小心，不然严重的变形可能会改变其电性特性，造成量测结果不准确。


避免切换相关的问题

切换对整体系统功能的运作相当重要，可以将仪器和DUT 之间的信号与电源供应连接作业自动化。由于大部分作为信号源以及需要量测的信号都会经过切换矩阵，因此其规格若有任何缺失，可能会影响量测的效能、速度和稳定。在高频下，有三项规格特别重要：隔离度、VSWR 和注入损耗。


扩大隔离

存在一个或多个高功率的信号时，信号路径间的洩漏可能会让低功率信号的量测变得极为困难。（当高功率和低功率的信号同时绕经一个切换矩阵时，最可能发生这种状况。） 秘诀：选择隔离度规格为90 dB 或更佳的切换器，这样一来就可以减少洩漏，可能也比较不需要将信号绕经不同的切换组件了。


降低VSWR

高VSWR 可能造成相位误差，因而影响向量和调变量测 的准确度。切换矩阵的VSWR 与矩阵中使用之同轴切换器的VSWR 直接相关，而个别切换器的VSWR 会取决于它的机构尺寸和容许度。秘诀：可以使用与所需的频宽相较算是短的缆线，进一步将VSWR 降到最低。如果因为高频宽的需求或机构上的要求而无法使用短的缆线，那么最好的替代方法就是透过损耗垫或损耗性缆线，将注入损耗加入传输线中，如此一来，就可以在想要的频率范围，减小VSWR 引起之涟波的振幅，不过，代价是整体的注入损耗较高。


控制注入损耗

在较高的频率，注入损耗容易变成一个问题，其规格通常是以表格或方程式的形式，相对于频率来订定的。秘诀：随着切换器逐渐老化，其注入损耗可能会改变，因此要留意“注入损耗的稳定”或“注入损耗的稳定度”这类的规格，这种规格的有效性可以持续到产品预计的使用寿命到期时。瞭解这种最糟情况下的损耗值可以协助控管误差量。


评估信号整波器

如秘诀三所述，DUT、其测试要求及其所在的位置会决定是否要将被动或主动式信号整波器加入信号路径中。整波器可以是独立运作的装置或是内建在切换矩阵中，放大器、衰减器和转频器是最常用的信号整波元件。


放大器

如果需要进行精确的振幅量测，或是如果信号是透过很长的缆线来传送，那么可能就需要提供额外的信号增益。有几项重要的规格可以协助确定所要使用的放大器是否合适。


VSWR

放大器最恶名昭彰的问题是VSWR 不佳。秘诀：将衰减器或隔离器（虽然这两者的频宽较有限）连接到放大器的输出，可以减轻VSWR 的问题。


交互调变

量测DUT 频宽以外的交互调变失真或旁生发射噪音时，放大器的频宽相当重要。秘诀：要慎防动态范围不佳或有很低的1 dB 压缩点的放大器，因为若存在很强的基频信号时，这种放大器会造成足以影响谐波量测结果的交互调变失真。


杂波（spur）

切换式电源供应器可能会产生与切换频率（通常为100-200kHz）有关的杂波。秘诀：避免使用含切换式电源供应器的放大器或任何其它的元件。


衰减器

机电式（electromechanical）和电子式的设计在管理信号位准上，可提供不同程度的弹性和精确度。机电式衰减器採用分离式切换器，一般的步进解析度为1 或10 dB。电子式衰减器可提供几乎连续的设定，解析度为0.1 或0.25 dB；然而，採用PIN 二极体型切换器的衰减器可能会产生足以发生“视频洩漏”的尖峰波（spike），而影响量测的结果。秘诀：视需要串接机电式和电子式衰减器，以提供较佳的衰减控制。秘诀：需留意衰减器接头上使用的电镀材料，举例来说，镍在高功率位准下会变成非线性，且会造成交互调变失真，因此要选择较高品质的接头，如金制的。


转频器

当DUT 与测试系统相隔较远时，可以使用降频器将信号转移到较低的频率范围，藉此减少缆线过长所造成的注入损耗。秘诀：在测试系统端，可以使用升频器，将信号恢復到原本的频率，不过，可能也需要加入滤波的功能，以便将转换过程中产生的多余频率成份滤除。
秘诀：执行向量或调变量测时，若使用了多组信号、多条路径或多次转换，就必须使用某种形式的锁相机制，以确保准确的结果。做法是：将仪器和转频器连接到共通的频率参考点，然后量测每一组信号相对于参考信号的相位。


秘诀五：检查切换器的操作属性

切换矩阵要採用哪一种技术时，除了电性效能外，再进一步考量操作上的特性，如使用寿命、电源需求及失效/ 故障安全防护（fail-safe）功能等因素，将可协助您做出正确的选择。


机电式vs. 电子式

机电式切换器包含众多会移动的机构零件和实体接点，因此容易有品质恶化速度相对较快的问题，会降低其稳定和缩短有限的寿命。相反地，电子式切换器没有会移动的机构零件，因此具有较长的使用寿命和更高的稳定。实务上，应该选择哪一种比较好？部分因素会取决于系统实际需要的切换开关次数：要考量每次测试的闭合次数、每天的测试次数、以及系统预期的使用寿命等因素。
另一个实际的考量是所绕接之信号的功率位准。切换高功率的信号会损坏大部分的切换器、降低稳定和缩短使用寿命。秘诀：若要防止机电式或电子式切换器的寿命提早结束，可以设定系统的仪器在打开或关闭矩阵中的任何切换器之前，先降低信号的位准。


自锁式（latching）vs. 非自锁式（non-latching）

机电式切换器内部会使用自锁式或非自锁式继电器。大部分的自锁式继电器会需要一个100-200 msec 的直流电源脉冲来打开或关闭继电器。为了将电源需求减到最低，有些开发人员会设定系统依序或以一次一小批的方式，打开这些切换器（虽然这样做会延长总切换时间）。而非自锁式切换器需要固定的电源，通常为200 mA 时24V，才能保持接触连通的状态。在一个大型的切换矩阵中，非自锁式切换器可能会在系统机架内产生足以影响量测效能的热度。秘诀：如果选择使用非自锁式切换器，需检查实际的温度上升情形，并且要有心理准备：系统机架中可能要另外加入冷却装置。
秘诀：瞭解这两种切换器在电源中断或紧急断电后的作为是非常重要的。若要达到最高的安全性，可选择当电源恢復时，会回復到已知状态或设定的切换矩阵。非自锁式切换器通常是失效/ 故障安全防护的优先选择，因为当电源中断时，它们会打开，而且直到测试程式供电之前都不会闭合。不过，自锁式切换器如果包含在电源中断时，会将自己锁入安全模式的硬体和韧体的话，也可以具有失效或故障时的安全防护能力。


进阶的功能：内建信号整波器

在系统中使用切换矩阵的好处之一是，可以由制造商将信号整波功能内建到矩阵中。举例来说，安捷伦的客制化切换矩阵可以配置多种的元件：放大器和衰减器；滤波器和隔离器；以及转相和转频元件，如混波器、倍频器（doubler）和（divider）。这些元件都是使用半硬式同轴缆线做固定的连接，而且不需要再另外接线，可提供一套小巧、方便的单机式解决方案。


秘诀六：加快量测设定与执行的速度

是以“每单位时间内所测试的DUT 数量”、“每单位时间内所执行的测试次数”、或其它以时间为基础的衡量指标来评估系统的效能，量测速度皆取决于两项基本的因素：设定系统所需的时间，以及执行量测所需的时间。所有系统的三大组成要素－ 硬件、I/O 和软件，对这两项作业都可能是助力或阻力。


微调个别的仪器

系统中使用的所有可设定装置都可能成为限制量测速度的瓶。最新一代的RF/ 微波仪器－信号产生器、功率錶、频谱分析仪和网路分析仪－具有弹性的功能和能力，可以减少瓶颈的产生和提高系统的效能。


信号产生器

许多信号产生器都内建调变和任意波形产生能力，有助于减少系统中需要使用的仪器数目、简化系统的接线、以及降低软件的复杂度。秘诀：仪器的设定可能会有点复杂和耗时，但可藉由预先产生一些设定状态，将之储存在记忆体中，然后设定系统视需要叫出储存的状态，而大幅缩短测试时间。如果系统需要在测试执行中载入任意波形资料，也只要下载最少的点数，并使用二进位格式，而非ASCII格式。


功率錶

能够节省最多时间的因素或许来自于某些机种提供了内建的校准能力，可以将校准的间隔时间从数小时延长为数个月。秘诀：尽量使用可提供宽广的视频频宽和快速的资料取样速度的数字功率錶，有些这类的机种每秒可以产生1000 或更多个修正过的读值，并透过平均计算提高量测的准确度和稳定性。


频谱分析仪

就任何的频谱分析仪而言，三项主要的调整包括：频距、每次量测的点数、以及解析频宽（RBW）。秘诀：使用必要的最少点数以及可能的最宽RBW 是缩短量测时间最简单的方法，尽可能採用会自动加快速度的新一代频谱分析仪，例如进行窄频距量测时，会切到快速傅立业转换（FFT）模式。秘诀：若要达到最大的效果，应选择性地使用自动输入范围调整功能。量测振幅改变速度很快的信号时，自动范围调整功能可能会频繁地改变输入衰减器的设定，而减慢量测的速度。然而，如果信号位准很低且相当固定，则使用自动范围调整功能可以改善信噪比（SNR），同时缩短量测时间，因为它可以使用较宽的频距和RBW 设定。


网路分析仪

VNA 的校准有时非常耗时，特别是需要以手动的方式与标准品逐一连接的时候。秘诀：安捷伦的电子校准或ECal 模组可将这个过程自动化，只需透过单一连接，即可针对一到四个埠，提供更快速、更稳定一致的校准结果。这种方法也可以减少测试埠接头和校准标准品的磨损。秘诀：在分析仪内部套用修正资料通常会比在外部的系统控制器中进行来得快速。大部分的VNA 都可以让您储存特定测试的校准曲线，并且在需要时重新叫出使用。有一点要提醒的是：这种方法用在一连串较窄的频距时，会比用在一个超宽的量测频距来得有效。


测试系统开发的未来发展

套测试系统都会面临一些独特的挑战，但无论是什么情况，能够在效能、速度和稳定一致性之间做最佳的直接和间接取捨，将可协助达到量测正确性的要求。在选择仪器设备、I/O 连接介面和软体等测试系统的组成要件时，同样也需要在这些重要的取捨因素间求取最佳的平衡。

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多多学习！