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高頻時代來臨 網路分析儀的首要挑戰
落實務實化量測

【作者: 王岫晨】   2019年06月06日 星期四

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任何通訊系統都必須考慮信號失真的影響。通常工程師只考慮非線性效應所引起的失真,例如當所應用的載波信號引起交互調變失真時。但純粹的線性系統也可能導入信號失真。由於線性系統可能改變信號各個頻譜分量的振幅或相位關係,因而也可能改變所傳遞之信號的時間波形。因此,必須仔細研究線性特性和非線性特性的差別。



圖一 : 通訊系統的信號失真將導致重大影響。線性系統可能改變信號各個頻譜分量的振幅或相位關係,因此必須仔細研究線性特性和非線性特性的差別。
圖一 : 通訊系統的信號失真將導致重大影響。線性系統可能改變信號各個頻譜分量的振幅或相位關係,因此必須仔細研究線性特性和非線性特性的差別。

線性元件使得輸入信號產生振幅和相位變化,在輸入端出現的任何正弦曲線,也將以相同頻率出現在輸出端,而不會形成新信號。無論是主動或是被動非線性元件,都可能使輸入信號的頻率偏離原來的位置,或增加其它頻率分量,如諧波信號或寄生信號。過大的輸入信號,通常會迫使線性元件進入壓縮或飽和狀態,進而引起非線性工作。


通訊系統之量測要求

為了進行線性無失真的傳輸,待測物(DUT)在所要求的整個頻寬內,其振幅響應必須是平坦的,而相位響應則須呈線性。舉例來說,研究經過帶通濾波器時,含有豐富高頻分量的方波信號。該帶通濾波器以很小的衰減,讓選定的頻率通過,而通道之外的頻率,則有不同程度的衰減作用。即使濾波器具有線性相位效能,方波的頻外分量也將受到衰減,使得輸出信號在本質上更具正弦屬性。



圖二 : 線性特性和非線性特性的比較
圖二 : 線性特性和非線性特性的比較

如果在某一濾波器中透過相同的方波輸入信號,僅造成第3次諧波的相位倒置,而維持諧波振幅不變,則輸出波形將更呈現出脈衝特性。一般來說,這種情況僅適用於本例中的濾波器,輸出波形將依據振幅和相位的非線性情況,呈現出任意形式的失真。


非線性元件也會導入失真。例如當放大器被過度激發,由於放大器趨於飽和,將導致輸出信號限幅。輸出信號不再是一個純正的正弦信號,在輸入頻率的各個倍頻位置均存在諧波。被動元件在高功率位準上,也可能呈現非線性特性。使用具有電磁電感器的LC濾波器是最佳範例。磁性材料常常呈現出高度非線性的滯磁效應。


高效率傳送功率是通訊系統的另一個基本問題。為了高效率地傳送、發射或接收射頻功率,傳輸線、天線和放大器等元件都須呈現與信號源的優異阻抗匹配。當兩個連接元件之間的輸入與輸出阻抗之實部和虛部都達不到理想狀態,便出現阻抗不匹配。


向量量測的重要性

對各個分量的振幅和相位進行量測的重要性,源於以下幾個因素。首先,為了全面分析線性網路的特性,並確保無失真傳輸,工程師必須進行這兩種量測。其次,為了設計高效率匹配網路,工程師必須量測複阻抗。最後,開發電腦輔助工程(CAE)電路模擬程式模型的工程師,需要振幅和相位資料來進行精確類比。


為了執行傅氏逆變換,時域特性分析也需要振幅和相位資訊。藉由消除固有量測系統誤差的影響來提高量測準確度的向量誤差修正,同樣也需要振幅和相位資料,來建立有效誤差模型。即便是純量量測(如回返損耗),為了獲得高準確度,相位量測能力也十分重要。


入射功率和反射功率的基本概念

最基本的網路分析是量測沿著傳輸線行進的入射波、反射波和傳輸波。利用光波長作為類比,當光投射到一個透明的透鏡上時(入射能量), 一部分光從透鏡表面反射,但大部分光繼續通過透鏡(傳輸能量)。若透鏡具有鏡面,則大部分光將被反射,只有極少量或完全沒有光通過透鏡。


雖然射頻信號和微波信號的波長不相同,但原理是一樣的。網路分析儀能精確量測入射能量、反射能量和傳輸能量。例如,在傳輸線上發送的能量,沿傳輸線反射回發射源的能量(由於阻抗不匹配),以及順利地傳送至終端裝置(如天線)的能量。


史密斯圖

對元件進行特性分析時所出現的反射大小,取決於入射信號「所看到的」阻抗。由於任何阻抗都能用實部和虛部表示,故可以將它們繪製在所謂複阻抗平面的直線網路上。只不過開路(一種常見的射頻阻抗)在實軸上表現為無限大,因而無法表示出來。



圖三 : 史密斯圖
圖三 : 史密斯圖

極座標圖由於包括了整個阻抗平面,因而具有重要使用價值。然而,它並不直接繪出阻抗曲線,而是以向量形式顯示出複反射係數。由於複阻抗與反射係數兩者之間有相對應的關係,故複阻抗平面的正實半部分,可以映射到極座標顯示上,結果便形成了史密斯圖。


在史密斯圖上,恒定電阻的軌跡表現為圓,而恒定電抗的軌跡表現為圓弧。史密斯圖上的阻抗,是指對所考察的元件或系統的特性阻抗進行歸一化後的阻抗。對射頻和微波系統來說,特性阻抗通常是50歐姆,而對廣播和有線電視系統而言,特性阻抗則為75歐姆。理想的終端位於史密斯圖的中心。


網路分析的名詞術語

理解了電磁波的一些基本知識之後,我們還須掌握量測所用的常用術語。在網路分析儀的名詞術語中,一般用R或參考通道表示量測入射波。反射波用A通道量測,而傳輸波則用B通道量測。利用這些波中的振幅和相位資訊,便能定量描述待測物(DUT)的反射和傳輸特性,反射和傳輸特性可以表示為向量(振幅和相位)、純量(只有振幅),或只有相位的量。


例如,回返損耗是反射的純量量測,而阻抗則是向量反射量測。比值量測法可以讓我們在進行反射和傳輸量測時,不會因為絕對功率和來源功率隨頻率變化而受到影響。反射量的比值常常表示為A/B,而傳輸量的比值表示為B/R,它們與儀器中的量測通道有關。



圖四 : 高頻元件特性的常用術語
圖四 : 高頻元件特性的常用術語

傳輸係數定義為被傳輸的電壓除以入射電壓,若被傳輸電壓的絕對值大於入射電壓的絕對值,則認為待測物或系統具有增益。若被傳輸電壓的絕對值小於入射電壓的絕對值,則認為待測物或系統具有衰減或插入損耗。傳輸係數的相位部分稱為插入相位。


通常,直接考察插入相位並不能提供有用資訊。這是因為由於待測物的電長度,使插入相位相對於頻率具有很大的(負)斜率。該斜率正比於待測物的電長度。由於與線性相位的這一偏差是唯一能引起通訊系統失真的原因,故要求去掉相位響應的線性部分,以便對於餘下的非線性部分進行分析。為此,可以利用網路分析儀的延遲特性自動抵消待測物的平均電長度。


(本文參考資料:向量網路分析的基本原理)


解決方案

太克科技TTR500系列向量網路分析儀


圖五 : 太克科技TTR500系列向量網路分析儀
圖五 : 太克科技TTR500系列向量網路分析儀source:tektronix.com

太克科技:「這款儀器擁有卓越的功能支援和品質,兼具易用性和經濟性!」


Tektronix TTR500系列雙連接埠、雙路徑向量網路分析儀是新推出的突破性產品,擁有絕佳的量測效能和便利性!憑藉Tektronix一貫的準確性和可信度,在獲得日常量測能力的同時兼顧您的預算。TTR500提供領先業界的價格和效能,從100kHz至6GHz的頻率範圍。由於超過122分貝動態範圍和低於0.008分貝RMS軌跡雜訊,TTR500的效能類似於昂貴的傳統工作台VNA。TTR500A系列VNA包括一系列技術和專利進展,可讓我們在射頻效能、尺寸、可靠與成本之間扭轉許多傳統的衡量標準。


是德科技PNA網路分析儀


圖六 : 是德科技PNA網路分析儀
圖六 : 是德科技PNA網路分析儀source:keysight.com

是德科技:「無論是在工作台、機架中,或是野外,我們可全面增強您的量測自信度!」


世界各地超過70%的工程團隊全都選擇使用是德科技分析儀,因為我們可協助您:使用PNA-X/PNA/PNA-L獲得卓越性能(高達120GHz,使用展頻器可擴展至1.5 THz)。使用展頻器,PNA和PNA-X頻率可擴展到1.5THz。共有3個PNA系列可供選擇,以獲得速度、效能和價格的完美組合。在研發階段提供一流的量測完整性,以協助您將深入的洞察力轉變成出色的設計;在生產線上提供您需要的測試速率和可重複性,以便將卓越設計轉變成具競爭力的產品;每一款機型都是是德科技線性和非線性元件特性分析專業知識的結晶。


R&S ZNA新一代高階向量網路分析儀


圖七 : R&S ZNA新一代高階向量網路分析儀
圖七 : R&S ZNA新一代高階向量網路分析儀source:R&S.com

羅德史瓦茲:「這款儀器具有出色的射頻性能和獨特的硬體設計概念!」


羅德史瓦茲(R&S)推出R&S ZNA新一代高階向量網路分析儀,可簡化量測設置。其出色的量測穩定性和低量測曲線雜訊讓使用者能夠對主動和被動元件和模組進行嚴格的量測。憑藉以待測物為中心的操作方式、全球第一款完全採用觸控操作的創新設計,R&S ZNA 向量網路分析儀可將量測的設置時間縮到最短。


R&S ZNA高階向量網路分析儀是一款功能強大的通用測試平台,用於量測主、被動待測物之特性。R&S ZNA目前共有兩種型號R&S ZNA26 (10 MHz至26.5 GHz) 及R&S ZNA43 (10 MHz至43.5 GHz) ,提供146 dB (一般值)的量測動態範圍,在1 kHz中頻(IF)頻寬下的曲線雜訊低至0.001 dB。這兩個優異的特點對於高抗拒濾波器的量測至關重要。


NI向量網路分析儀(VNA)


圖八 : NI向量網路分析儀(VNA)
圖八 : NI向量網路分析儀(VNA)source:ni.com

國家儀器:「PXI向量網路分析儀可提供高準確度且迅速的RF量測效能。」


NI向量網路分析儀(VNA)為10MHz~6GHz的完整向量網路分析系統。PXI向量網路分析器配備2個連接埠,因此可以擇一選用T/R測試模組或是完整的S參數功能。PXI向量網路分析器支援自動化精確校準、完整向量分析與參考平面擴充,因此適合做為檢驗與生產作業的向量網路分析解決方案,並省下傳統桌上型VNA的高價位與龐大體積。這些模組可順暢整合至測試系統中,以提供高準確度且迅速的RF量測效能。預先設定的NI向量網路分析儀(VNA)入門組合,包含NI PXIe-5630向量網路分析儀(VNA)與所有必備的硬體元件,可為向量網路分析作業建立完整的解決方案。


安立知2埠E-band向量網路分析儀


圖九 : 安立知2埠E-band向量網路分析儀
圖九 : 安立知2埠E-band向量網路分析儀圖片來源:anritsu.com

安立知:「這是最經濟的高頻測試解決方案!」


安立知的ShockLine系列擁有2埠的E-bandVNA機種,這是透過安立知的VNA技術,整出兩個升頻的模組。安立知透過自身的技術,讓雙埠VNA可以直接擁有E-band功能,並可從原本支援的60~70GHZ,延伸到55~92GHZ,這也是目前市面上2埠到4埠VNA機型中,最經濟的量測解決方案。特別是在60GHZ這個頻段,現在常用的高解析影像,就是使用60GHZ這個頻段。如果頻率再往上的話,就可以看到無線通訊應用的新趨勢,也就是點對點的微波系統,這將會從Ka-Band升頻到大概80GHZ附近的頻率。而這款E-BAND專用的VNA可以直接提供客戶量測該頻段設備的能力。


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