用真正差分激勵信號來測試平衡器件

摘要：本文介紹了利用網絡分析儀如何使用真正的差分激勵信號(而不是虛擬方法)來更加真實地測量高頻放大器的性能，提出了平衡器件網絡分析的新標準。

關鍵詞：網絡分析儀；平衡器件；差分模式；放大器；ZVA；ZVT

概述

傳統的矢量網絡分析儀VNA(vectornetwork analyzer)在測量平衡/差分器件時，通常采用所謂的“虛擬”方法：網絡分析儀用單端(single-ended)信號激勵被測件，測出其不平衡(unbalanced)參數，然后網絡分析儀通過數學計算，把不平衡參數轉換成平衡參數。該方法對于分析無源器件和小信號(線性)狀態下的有源器件已經夠用。但是當器件處于大信號(非線性)工作狀態時，該方法測試結果的精度就受限了。盡管人們想出了很多方法克服這個問題，例如采用“理想的”寬帶功分器或耦合器，但是這些方法都無法進行全系統校準。幸運的是基于羅德與施瓦茨公司(RohdeSchwarz，RS)的多端口網絡分析儀ZVA和ZVT，通過添加新的選件，就可以實現精確的寬帶差分器件測量，并且操作十分方便。“虛擬\"差分方法

用傳統的網絡分析儀測量差分(平衡)器件時，儀器多個端口不是同時輸出激勵信號，而只是依次產生單端激勵。然后通過數學計算，把測得的多個單端S參數轉化為差分S參數。其實儀器并沒有用差分信號去激勵被測件，而是把它當成一個單端器件來測量。然后使用測得的單端S參數，計算出混合模S參數。具體的工作原理如下：在每一個頻點，網絡分析儀的1端口輸出一個單端激勵，在2、3、4端口測量傳輸分量，在1端口測量反射分量，然后分別再由2、3、4端口輸出單端激勵信號，重復上述測試。可以得出16個單端S參數(S11到S44)，再用這16個參數計算出混合模S參數Sxxyy。該方法對于分析無源器件和小信號(線性)狀態下的有源器件已經夠用。但是當器件處于大信號(非線性)工作狀態時，該方法測試結果的精度就受限了。

因為當有源器件處于大信號激勵下，其非線性特性逐步顯露(通常用1dB或3dB壓縮點來衡量)。這時采用傳統的虛擬方法，由于儀器的1端口和2端口(單端端口)不能同時輸出激勵信號，因此不能再現被測件在實際工作狀態下的性能。這種沒有使用真實差分信號去激勵被測件的虛擬方法的精度難以保證。例如用虛擬法測得某個放大器的1dB壓縮點比實際值偏高，如果用這個參數去指導設計，則設計出的放大器就可能處于過載狀態，從而產生很多非線性產物。然而，以前網絡分析儀大多只能提供虛擬方法，因為要實現真正的差分，網絡分析儀必須嚴格控制其輸出的兩路信號源的幅度和相位，但這種技術極其復雜。

真正的差分方法

RS ZVx-K6選件是一種全新概念的技術，它采用真正的差分激勵信號進行測試而不是“虛擬”。RS已經在多種有源器件上進行了實驗驗證，發現該方法得出的增益壓縮點結果和“虛擬”方法相比，確實有所改進。圖1就是一個典型的例子，這個實驗采用RS ZVA40網絡分析儀，在兩種模式下分別測試一個2 G H z的微波單片集成MMIC(monolithic-microwave-integrated-circuit)放大器。可以看出，在小信號(線性)的情況下，兩種方法的測量結果一樣，但是在放大器處于壓縮狀態(大信號)的情況下，兩種方法的測量結果有明顯差異。采用真差分激勵測得的增益，比采用虛擬方法的結果提前4dB出現壓縮，并且最大增益的測量結果也要低0.5dB。

RS開發的這項新技術，首次實現了網絡分析儀輸出真正差分信號，用來激勵射頻微波平衡器件，其最高頻率高達40GHz。該方法基于專利控制的技術，控制兩路內部源的幅度和相位，以及專利的差分矢量校準技術。RS ZVA(2、3、4端口網絡分析儀)或該公司的ZVT(多端口網絡分析儀)內部的兩路源可以產生幅度相同、相位差為0度或180度的信號，其相位差的不確定度小于1度。用這組差分信號激勵被測件，可以直接測出差模或共模響應，經過矢量修正，直接得出混合模S參數。

產生真正的差分信號有很多難題需要克服：首先，要在兩個內部源之間實現180度相移，還要精確地控制這個相位差，以保證差分信號的質量。另外，在測量和校準參考平面，要求這個相位差仍然保持有效。而測試使用電纜的損耗、相位以及其他特性都會變化，這些都給會影響激勵信號的對稱性。

儀器的校準方法和標準的“直通-開路-短路一匹配TOSM”(thru-open-short-match或稱SOLT)校準方法一致。即使測試電纜不對稱(例如長度不同)或者在片測試，這種校準方法也適用。該儀器也能產生相位差為0度(同相)的信號，進行共模測試。以前的儀器中，相位隨時間以及溫度漂移是一個很嚴重的問題，這里內部源采用了特殊的算法和控制電路，不斷地檢驗并修正內部源的相位差，以保證差分信號嚴格的幅度相位關系。

使用真正差分技術測量一個4端口平衡器件的具體工作步驟如下：

·從網絡分析儀的1號邏輯端口(實際上由兩個物理端口組成)發出幅度相同、相位差為180度的差模信號，加載到被測件上，在2號邏輯端口測量傳輸分量的差模和共模響應，同時在1號邏輯端口測量反射分量的差模和共模響應；然后儀器的1號邏輯端口產生幅度相同、相位差為0度的共模信號，同樣分別測量傳輸和反射信號的差模／共模響應。

·從網絡分析儀的2號邏輯端口發出幅度相同、相位差為180度的差模信號，加載到被測件上，在1端口測量傳輸分量的差模和共模響應，同時在2端口測量反射分量的差模和共模響應；然后儀器的2號邏輯端口產生幅度相同、相位差為0度的共模信號，同樣分別測量傳輸和反射信號的差模/共模響應。被測件的混合模S參數可以直接由上述的差模/共模響應計算得到，經過系統誤差修正后，直接在儀器屏幕上顯示。完成上述所有測試的掃描時間僅需300ms。

該技術還可以實現幅度和相位不平衡掃描(用于模擬非理想狀態)。對于幅度不平衡掃描，這時兩路信號的幅度不再相等，其中的一路可以在用戶設定的范圍內功率掃描。類似的，對于相位不平衡掃描，兩路信號的相位差不再保持180度，而是在一個設定的范圍內變化。這兩種掃描方式都是為了模擬非理想工作狀態，為設計者提供更多的參考信息。

結語

目前差分放大器在移動通信設備中得到了廣泛的應用。但是這些器件目前大多采用虛擬方法來測試(由于以前真差分測試技術還沒有得到應用)。由于虛擬方法測得的器件特性可能比實際的好，如果用這個參數去指導設計的放大器就可能會處于壓縮(過載)狀態，其實際互調產物要比設計值高。這是可能需要采用“功率回退”技術，才能達到理想的線性功率性能。如果能更精確地測試出平衡器件的特性，器件、系統廠商就可以在產品出廠之前，設計出理想的性能和工作條件。

在ZVA和ZVT上，用戶可以簡單地通過點擊鼠標，在虛擬模式和真差分模式間切換，并且兩種方法的測試結果可以在同一個圖形中實時顯示。而且兩種方法的校準技術相同，用戶無需分別校準。該儀器還提供一種簡單、直觀的平衡器件測試向導程序。真差分測量技術無需硬件更新，可以在任何4端口ZVA系列，以及任何端口數大于3的ZVT系列網絡分析以上使用。