解讀基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVB的放大器測(cè)試分析

放大器的測(cè)試指標(biāo)可以分為兩類(lèi)：線(xiàn)性指標(biāo)測(cè)試和非線(xiàn)性指標(biāo)測(cè)試。線(xiàn)性指標(biāo)的測(cè)試基于S 參數(shù)的測(cè)量，采用常規(guī)矢量網(wǎng)絡(luò)分析議來(lái)完成。對(duì)于非線(xiàn)性指標(biāo)的測(cè)試，傳統(tǒng)測(cè)試方案采用頻譜儀加信號(hào)源方法，但這種方案有很多缺點(diǎn)如無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步掃頻、掃功率測(cè)試，不能進(jìn)行相位測(cè)量如幅度相位轉(zhuǎn)化（AM/PM）測(cè)量。R&S ZVB采用創(chuàng)新的硬件結(jié)構(gòu)，其輸出功率很高、功率掃描范圍寬，因而無(wú)需另外單獨(dú)使用前置放大器，一次掃描即可確定放大器功率壓縮特性。ZVB采用了強(qiáng)大的自動(dòng)電平控制設(shè)計(jì)以及高選擇性、高靈敏性的接收機(jī)，因而可在較寬的動(dòng)態(tài)范圍下進(jìn)行放大器的諧波測(cè)試而無(wú)需使用外部濾波器。

端口匹配特性測(cè)量

端口匹配特性主要測(cè)試端口的S11與S22參數(shù)。如端口1的S11參數(shù)等于反射信號(hào)b1與入射信號(hào)a1之比：

S11參數(shù)也可稱(chēng)為輸入反射因子。S11為復(fù)數(shù)，工程上通常用回波損耗（RL）和駐波比（VSWR）來(lái)表達(dá)端口的匹配程度。S11與這兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系如下：

以上兩個(gè)參數(shù)與S11的換算由ZVB自動(dòng)完成，用戶(hù)只需要在［Format］ 菜單中選擇［dB Mag］-》回波損耗，［SWR］-》駐波比，就可以顯示相應(yīng)的測(cè)試曲線(xiàn)。ZVB提供軌跡統(tǒng)計(jì)功能［Trace Statistics］，可自動(dòng)顯示軌跡的最大值、最小值和峰-峰值，并且可以通過(guò)設(shè)置 ［Eval Range］，來(lái)調(diào)整統(tǒng)計(jì)頻率范圍。該功能對(duì)帶限器件（如濾波器）的帶內(nèi)指標(biāo)測(cè)試非常有用。

圖1 回波損耗測(cè)試和軌跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，精確輸入阻抗信息對(duì)于設(shè)計(jì)人員更為重要。比如：在手機(jī)板設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要精確測(cè)試前端放大器的輸入、輸出阻抗，然后根據(jù)輸入、輸出阻抗信息來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到手機(jī)的最大功率發(fā)射和最佳的整機(jī)靈敏度。輸入阻抗與S11的關(guān)系如下：

用戶(hù)通過(guò)選擇［Format］ 鍵中的［Smith］菜單來(lái)顯示阻抗測(cè)試軌跡，通過(guò)設(shè)置Marker可以方便的測(cè)得每一頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電抗和電阻。另外ZVB標(biāo)配的虛擬加嵌功能，能模擬 在輸入、輸出端口加上虛擬的匹配網(wǎng)絡(luò)之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。該功能大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的工作量，無(wú)需實(shí)際的電路調(diào)整，就能預(yù)測(cè)調(diào)整后的DUT性能。用戶(hù)通 過(guò)選擇［Mode］菜單中的［Virtual Transform］來(lái)激活該功能。

傳輸參數(shù)測(cè)量

除了端口匹配特性的測(cè)量，放大器前向放大和反向隔離特性也可分別由測(cè)試S21 和S12 得到。前向的傳輸參數(shù)S21 等于在端口2測(cè)得前向功率b2與端口1的激勵(lì)功率a1的比值：

而放大器的增益等于S21絕對(duì)幅度的對(duì)數(shù)值：

反向的傳輸參數(shù)S12 等于在端口1測(cè)得反向功率b1與端口2的激勵(lì)功率a2的比值：

而放大器的反向隔離度等于S12絕對(duì)幅度的對(duì)數(shù)值：

用戶(hù)只需分別設(shè)置S21和S12的 顯示格式為dB（［format］ -》 ［dB Mag］），放大器增益和隔離度即可同時(shí)顯示在ZVB上。

圖2 增益和反向隔離測(cè)試結(jié)果

功率壓縮特性測(cè)量

功率壓縮特性的測(cè)試主要用來(lái)衡量待測(cè)件（DUT）的線(xiàn)性度。對(duì)于放大器的測(cè)試，工程上通常采用輸出功率1 dB壓縮點(diǎn)（P1dB ）來(lái)表征該特性。P1dB的定義為： 隨著輸入功率的增加，放大器的增益下降到比線(xiàn)性增益低1dB時(shí)的輸出功率值，如圖3所示。

圖3 P1dB定義

ZVB不僅可以測(cè)量參數(shù)隨頻率變化的曲線(xiàn)還可以測(cè)量參數(shù)隨輸入功率變化的曲線(xiàn)。ZVB內(nèi)置信號(hào)源可以提供非常大的功率掃描范圍，其典型值為60dB，而且60dB的功率掃描范圍完全由電子衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)而非采用傳統(tǒng)的機(jī)械步進(jìn)衰減器。機(jī)械式衰減器的幅度可重復(fù)度較差且使用壽命較短，所以ZVB特別適合測(cè)試有源器件的功率壓縮特性。

P1dB的測(cè)量涉及到S21隨著絕對(duì)輸入功率變化的曲線(xiàn)，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常用于S參數(shù)相對(duì)量的測(cè)量。為了提高其絕對(duì)測(cè)量精度，推薦使用的功率計(jì)對(duì)矢網(wǎng)做功率校準(zhǔn)。R&S公司的NRP系列功率計(jì)可以通過(guò)USB接口直接和ZVB連接，從而省掉功率計(jì)主機(jī)和昂貴GPIB卡。ZVB功率校準(zhǔn)過(guò)程分成兩個(gè)過(guò)程：矢網(wǎng)的內(nèi)部源幅度校準(zhǔn)和接收機(jī)幅度校準(zhǔn)。在第一個(gè)過(guò)程中將功率探頭直接和矢網(wǎng)的源端口連接，對(duì)應(yīng)選擇 ［CAL］鍵下的菜單［Start Power Cal］-》 ［Souce Power Cal］。 第二步將已校準(zhǔn)的源端口和接收端口連接進(jìn)行接收機(jī)的校準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)選擇 ［CAL］鍵下的菜單［Start Power Cal］-》 ［Receiver Power Cal］。

諧波測(cè)量

隨著激勵(lì)功率的增加，放大器將進(jìn)入非線(xiàn)性工作區(qū)，不僅除出現(xiàn)輸出功率壓縮現(xiàn)象，還會(huì)出非線(xiàn)性頻率分量。這些新的頻率輸出分量多為輸入頻率的整數(shù)倍，稱(chēng)為諧波分量。設(shè)計(jì)人員往往比較關(guān)心的是輸入基波分量與諧波分量的幅度差值，因?yàn)榉炔钤酱?，意味著在同樣的直流輸入功率情況下，更多的功率轉(zhuǎn)換為所需的基波功率，而非諧波功率，也可視為提高了放大器的效率。ZVB打破了傳統(tǒng)矢網(wǎng)信號(hào)源和接收機(jī)必須工作在同一頻率上的限制，可以使源和接收機(jī)工作在不同的頻率點(diǎn)上。具體對(duì)于諧波測(cè)量而言，可以讓矢網(wǎng)源輸出基波信號(hào)，而接收機(jī)工作在諧波頻率上，并可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)基波輸入頻率或輸入功率的掃描測(cè)試。對(duì)應(yīng)ZVB的設(shè)置：可先通過(guò)［Chan Select］+［Add channel +trace+Diag Area］的方法來(lái)添加一個(gè)新的觀測(cè)窗口和新的測(cè)試通道。然后在［Mode］鍵下選擇［Harmonics］進(jìn)入諧波測(cè)試模式，而后通過(guò)選擇 2nd、3rd或者輸入其它諧波次數(shù)來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)的諧波。

對(duì)于測(cè)試絕對(duì)諧波功率對(duì)輸入基波功率的變化，同樣推薦在測(cè)試前應(yīng)該進(jìn)行功率校準(zhǔn)。ZVB也提供諧波功率校準(zhǔn)的方法。通過(guò)［Harmonic Power Cal］ 進(jìn)入功率校準(zhǔn)對(duì)話(huà)框，其基本操作過(guò)程與測(cè)試放大器功率壓縮特性時(shí)相同，只不過(guò)在進(jìn)行源功率校準(zhǔn)時(shí)的頻率為整個(gè)測(cè)試頻率而在接收機(jī)校準(zhǔn)時(shí)的頻率為諧波頻率而已。

幅度相位轉(zhuǎn)化測(cè)量

放大器的非線(xiàn)性特征除了功率壓縮和產(chǎn)生諧波頻率兩個(gè)方面外，還有相位非線(xiàn)性特征，即隨著輸入功率的改變，放大器插入相移的變化。工程上通常采用AM/PM轉(zhuǎn)化來(lái)描述，其具體的定義為： 輸入功率每變化1dB ，插入相移的改變量，單位為Degrees/dB。

同功率壓縮特性的測(cè)量一樣，應(yīng)設(shè)置ZVB掃描類(lèi)型 ［Sweep Type］ 為功率掃描 ［Power］。測(cè)試軌跡為S21，但顯示格式［Format］應(yīng)設(shè)置為相位方式［Phase］。在測(cè)試過(guò)程中，可使用ZVB 提供Delta Marker與Reference功能方便的讀值。