淺析非線性傳輸線在VNA中的應(yīng)用

基于VNA應(yīng)用的SRD諧波采樣器

為了便于讀者理解非線性傳輸線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，我們探究一下該項(xiàng)技術(shù)在VNA中的應(yīng)用。微波和毫米波VNA均基于諧波混頻器或取樣器。在傳統(tǒng)的取樣VNA（圖1）中，VNA的接收機(jī)采用短脈沖波對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣。這些短脈沖波形也被用作諧波源以對(duì)內(nèi)部VNA信號(hào)進(jìn)行倍頻，而這些VNA信號(hào)同時(shí)被用作激勵(lì)源和接收機(jī)的本振信號(hào)。這些短脈沖傳統(tǒng)上由階躍恢復(fù)二極管（SRD）電路生成。然而，基于SRD諧波采樣器的VNA面臨著一系列的挑戰(zhàn)。首先，基于SRD的諧波取樣器的帶寬受限；其次，不同測(cè)試信道之間存在泄漏從而限制VNA的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)擴(kuò)展頻率范圍超過(guò)基于SRD諧波采樣器的基波帶寬時(shí)，寬帶VNA測(cè)量結(jié)果的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性及測(cè)試質(zhì)量由于受到下列因素的影響而受到挑戰(zhàn)：

? 由離散器件諸如反射器、接收機(jī)、信號(hào)調(diào)整設(shè)備、互聯(lián)電纜和波導(dǎo)構(gòu)成的大物理尺寸和非均勻的測(cè)量結(jié)構(gòu)；

? 高頻多路復(fù)用結(jié)構(gòu)；

? 復(fù)雜的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，例如諧波頻率轉(zhuǎn)換器和復(fù)雜的本振分配網(wǎng)絡(luò)。

可以采用非線性傳輸線技術(shù)取代SRD以克服基于SRD系統(tǒng)所面臨的限制和挑戰(zhàn)。

圖1：基于諧波采樣器的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用步進(jìn)恢復(fù)二極管（SRD）

非線性傳輸線技術(shù)

在大多數(shù)基本架構(gòu)中，NLTL由端接變?nèi)?a target="_blank">二極管的高阻抗傳輸線組成，由此構(gòu)成獨(dú)特的傳播介質(zhì)。該傳播介質(zhì)的相速，本質(zhì)上也就是時(shí)延，成為二極管瞬態(tài)電壓的函數(shù)。電壓越低，沿著非線性傳輸線傳輸?shù)牟ㄐ蔚南嗨倬驮叫?，時(shí)延就越長(zhǎng)。與之相反的，電壓越高，沿著非線性傳輸線傳輸?shù)牟ㄐ蔚南嗨倬驮酱?，時(shí)延就越小。當(dāng)把一組梯形電壓波形作為輸入信號(hào)，非線性傳輸線會(huì)壓制波形的前端，從而生成含有豐富諧波分量的類似階躍電壓信號(hào)（圖2）。

圖2：當(dāng)電磁波沿非線性傳輸線傳輸時(shí)，電磁波的下降沿將經(jīng)歷壓縮過(guò)程

當(dāng)輸入一個(gè)連續(xù)波信號(hào)時(shí)，非均勻結(jié)構(gòu)的非線性傳輸線電路會(huì)因此增強(qiáng)下降時(shí)間的壓縮，由此導(dǎo)致生成一串類似階躍信號(hào)的波形。通過(guò)利用非線性傳輸線電路的下降時(shí)間壓縮特性，非線性傳輸線電路可使用連續(xù)波信號(hào)生成一串非常窄的門(mén)脈沖，這些門(mén)脈沖的頻率達(dá)到接收機(jī)的微波和毫米波頻率范圍（圖3）。該下降時(shí)間會(huì)比由SRD生成的脈沖的下降時(shí)間快大約10倍。此外，通過(guò)利用非線性傳輸電路的“諧波生成”特性可獲得寬帶分布諧波。由于任何VNA的兩項(xiàng)主要功能是生成信號(hào)并對(duì)其采樣，因此非線性傳輸線技術(shù)特別適用于該類設(shè)備。

圖3：采用不均勻的非線性傳輸線（NLTL）技術(shù)生成的波形

采用NLTL技術(shù)的商業(yè)化VNA

安立在2009年推出了VectorStar系列VNA，該VNA的重要特征就是首次將非線性傳輸線技術(shù)應(yīng)用到VNA并將其商用化。安立的半導(dǎo)體、部件和小型化結(jié)構(gòu)的完整產(chǎn)線均包含非線性傳輸線技術(shù)，產(chǎn)品范圍包括從最高性能的VNA到價(jià)格敏感的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的微波測(cè)試系統(tǒng)解決方案。表1列出了非線性傳輸線技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)和好處。

更寬頻率范圍非線性傳輸線技術(shù)所帶來(lái)的測(cè)試創(chuàng)新

結(jié)合外部毫米波模塊和基于非線性傳輸線技術(shù)的VNA構(gòu)成了毫米波測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)單次同軸連接的頻率測(cè)量范圍可達(dá)70kHz到110/125/145 GHz。這些測(cè)試系統(tǒng)在器件特性表征和高速率信號(hào)完整性領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用。此外，體積小、重量輕、高頻毫米波模塊可增強(qiáng)其可操作性和探針的定位，這些在探針臺(tái)測(cè)試和天線及電路的近場(chǎng)掃描測(cè)試中也具有極好的應(yīng)用。該系統(tǒng)可直接連接到待測(cè)件上，在110GHz頻率上寬帶動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)107dB，其S21曲線超過(guò)24小時(shí)的校準(zhǔn)穩(wěn)定性高達(dá)0.1dB和0.5°

超高性價(jià)比的E波段VNA

基于NLTL技術(shù)的低成本的VNA系列由一個(gè)極佳的小型源和接收機(jī)模塊構(gòu)成，可測(cè)量的頻率為55GHz到92GHz。這是一個(gè)集成測(cè)試系統(tǒng)，可提供極高的測(cè)試性能，適用于E波段器件的大規(guī)模產(chǎn)線測(cè)試。

頻率高達(dá)40GHz的手持式電纜和天饋線分析儀

微波手持天饋線分析儀可為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安裝人員提供業(yè)界領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)范圍、方向性和可持續(xù)性，這些性能可幫助他們?cè)趯?duì)高達(dá)40GHz的微波通信系統(tǒng)的安裝、維護(hù)和故障處理方面提供更好的精確測(cè)量。

超便攜設(shè)備

超便攜的頻譜分析儀與傳統(tǒng)的大體積測(cè)試設(shè)備相比，在成本、體積和性能方面為業(yè)界設(shè)立了新的標(biāo)準(zhǔn)。

基于非線性傳輸線技術(shù)開(kāi)發(fā)的口袋尺寸大小的VNA擁有良好的性能，包括業(yè)界領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)范圍、掃描速度和幅度精度。該VNA超便攜的尺寸使其可幾乎直接連接到任何待測(cè)件，不再需要輔助的電纜或天線。

安立MS2760A是業(yè)界首款手持式毫米波頻譜儀，該頻譜儀可提供連續(xù)覆蓋9kHz到110GHz的頻率范圍（圖4）。該頻譜儀可用于快速增長(zhǎng)的5G網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)市場(chǎng)以及其它快速增長(zhǎng)的毫米波應(yīng)用，例如802.22ad/WiGig、E波段微波無(wú)線通信、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn)和汽車?yán)走_(dá)等領(lǐng)域。

安立推出的一款新型功率計(jì)是業(yè)界首款頻率可選的毫米波功率計(jì)，該超便攜的USB供電的設(shè)備可測(cè)量的射頻信號(hào)的頻率范圍高達(dá)70GHz，功率最低可達(dá)-90dBm。不像笨重、昂貴和復(fù)雜的頻譜儀，也不像頻率和動(dòng)態(tài)范圍受限的功率計(jì)，該款功率計(jì)可對(duì)9kHz到70GHz頻率范圍內(nèi)的最高可達(dá)6個(gè)信號(hào)的功率進(jìn)行簡(jiǎn)單的、數(shù)字式的和基于頻率的功率測(cè)量。該功率計(jì)的尺寸僅比手機(jī)稍大，且價(jià)格完全是用戶可接受的。

結(jié)論

非線性傳輸線技術(shù)重新定義了設(shè)備的性能水平及大小。與此同時(shí)，該技術(shù)突破了高頻測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的成本障礙。安立對(duì)這項(xiàng)技術(shù)擁有專利授權(quán)的應(yīng)用，將引領(lǐng)下一代微波毫米波測(cè)量設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而可幫助用戶加速下一代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。而這一切均得益于該項(xiàng)技術(shù)所帶來(lái)的額外的便攜性，從而使得客戶能夠安裝和維護(hù)下一代射頻系統(tǒng)。

審核編輯：黃飛