精密測量促進了元件和系統(tǒng)的不斷完善

射頻(RF)/微波網絡分析儀促進了高頻元件及其設計方法的發(fā)展。測量電路和器件的傳輸、反射和阻抗特性的能力使工程師們能優(yōu)化放大器、變頻器、信號分離和濾波器件以及其它元件的性能。通信和國防系統(tǒng)的性能主要取決于這些元件及其測試系統(tǒng)的性能。 回顧過去 20世紀40年代和50年代，大多數(shù)高頻通信系統(tǒng)都采用電子管(速調管、磁控管)和調幅(AM)或調頻(FM)技術。一些原始的信號發(fā)生器、功率檢波器和阻抗電橋被用來測量上述元件的傳輸、反射和阻抗特性，使之能制作出成功的系統(tǒng)。為了繪制一個現(xiàn)代史密斯圖(Smith chart)，每次一個頻率要進行數(shù)小時繁瑣的手動調諧測量。當時的網絡分析儀是掃頻標量分析儀，結合繁瑣的逐點重繪器件的相對相位特性。

到60年代，半導體技術方興未艾?；诎雽w二極管的取樣器成為儀器的基本組成部分。這些取樣器用來對波形取樣，能對信號進行相對幅度和相位測量?；诜挡ㄕ袷幤鞯念l率捷變信號源允許在寬頻率范圍內進行測量。能進行掃頻幅度和相位測量的第一臺網絡分析儀是建立在8405型矢量電壓表基礎上的8407*型射頻網絡分析儀。它允許比較兩個波形的幅度和相位，但只能工作到110 MHz。

圖1. 8410型網絡分析儀

1967年，HP公司(Agilent Technologies的前身)推出了將掃頻能力擴大到12 GHz的8410網絡分析儀。這是基于通過組合實現(xiàn)網絡分析功能的多個機箱的臺式系統(tǒng)(圖1)。當時，S參數(shù)的概念剛開始流行。它將傳輸、反射和阻抗轉化成了能夠迅速測量和觀測的單個圖像。這是高頻設計中的變革，使工程師們能著手用剛開始提供的新型高頻半導體器件進行設計。這些器件的優(yōu)勢具有一定的伸縮性。如果設計和測量手段不能使設計人員最大限度地挖掘這些新器件的潛力，那么它們的應用便可能大打折扣。為了從器件中獲得最佳性能，合理測量的互動和步驟提示有助于推動設計和測量的不斷向前發(fā)展。

到70年代，計算機面市，從而擴大了儀器能力(圖2)。8452自動網絡分析儀應運而生。這種大型三機柜系統(tǒng)為電路設計人員帶來誤差修正數(shù)學處理功能、脈沖測量功能和其它功能?？墒?，該系統(tǒng)占用了三個儀器機柜?，F(xiàn)代網絡分析儀可以用單一臺式機箱實現(xiàn)所有這些功能。 1976年推出了8505首臺集成的、微處理器控制的網絡分析儀。這類網絡分析儀在一個臺式機箱內包含合成信號源、接收機、測試裝置和顯示器，并工作到1.3 GHz。

80年代中期，寬帶固態(tài)信號源，經改進的取樣器和微處理器三者的結合，形成三種十分重要的產品，即8510、8753和8720矢量網絡分析儀(VNA)。8510網絡分析儀(圖3)成為微波測量的計量標準，并促成元件設計的許多改進。正當對第一代蜂窩電話的要求不斷提高時，8753網絡分析儀(圖4)走向市場。8753是首次全誤差修正的射頻網絡分析儀。由于它的低價格和強大功能，故很快成為工業(yè)標準。它廣泛用于無線電元件制造中，正如8510和8720成為航空和雷達元件研發(fā)制造中的主要支柱一樣。

圖2. 8452自動網絡分析儀系統(tǒng)

圖3. 8510網絡分析儀

圖4. 8753網絡分析儀

與此同時，涌現(xiàn)出了供高頻設計人員使用的首批商用計算機輔助工程(CAE)工具。模擬和測量之間的相互促進，縮短了設計周期并增加了功能。這時涌現(xiàn)出的首款商用微波集成電路曾得到過這種測量和模擬功能的巨大幫助。8720是首批全集成(單機)微波矢量網絡分析儀，它在8542推出之后20年嵌入了8542自動網絡分析儀(ANA)的大多數(shù)功能。

90年代，無線電器件的發(fā)展經歷了巨大繁榮。這是同時具有成本壓力和制造量的第一個高頻用戶市場。網絡分析儀(曾經的研發(fā)工具)成為主流制造設備。測量速度變得十分重要。在此期間，推出了84000射頻集成電路(RFIC)測試儀(圖5)。這是一種多功能極快的網絡分析儀。在某些方面，正如70年代8542自動網絡分析儀的情況一樣，這種多機箱集成電路測試系統(tǒng)引入了一些新功能。它們被融入到現(xiàn)在和未來的臺式網絡分析儀中。

圖5. 84000射頻集成電路測試系統(tǒng)

當前的技術

自2000以來，射頻和微波器件的集成度急劇提高。新集成度對測試設備提出了新的要求。這便導致網絡分析儀從2端口掃頻測量儀器演變?yōu)榫哂懈鼜V泛能力的網絡分析儀。早在20世紀90年代末，商用射頻元件已開始利用平衡(差動)結構，以充分利用較低的功率要求和更高的隔離度。2001年，推出了4端口E5071AENA網絡分析儀，實現(xiàn)了對這類器件的關鍵改進。圖6示出最新的機型(E5071C)。

圖6. Agilent E5071C型ENA網絡分析儀

這樣便提供了模擬的平衡-不平衡和混合模S參數(shù)，將平衡式測量完全引入射頻領域，到2006年，對平衡測量的測試需求向微波領域延伸，利用PNA系列中的解決方案能提供高達67 GHz的這種能力。無疑，需要將這些技術擴展到更高的頻率。

無線電設計的新集成度有可能將許多這類元件(平衡和單端元件)組合為具有大量輸入/輸出(I/O)端口的封裝集成電路。盡管這類元件的總響應必須滿足與包含分立元件的設計相同的準則，但集成電路中個別元件的性能、特別是在隔離度方面可能變壞。因此，十分重要的是，I/O端口應適當端接，且應考慮每個端口的失配影響。我們可以組合2端口甚至4端口修正測量，但這要求適當端接每個其它端口。測量次數(shù)以N2的方式增加。在利用較多的端口數(shù)時，這種方法將很快變得不切實際。

最近，已推出能擴大網絡分析儀端口數(shù)的新一代測試儀。這些N端口系統(tǒng)(圖7)利用內部開關和耦合器實現(xiàn)了測試儀與分析儀的無縫隙組合，給出能直接與2端口或4端口系統(tǒng)相比擬的N端口測試儀性能。此時，N端口網絡分析儀的8端口和12端口式與16端口和32端口系統(tǒng)均能同時供貨。

圖7. PNA多端口系統(tǒng)

若按常規(guī)方式校準這類儀器十分費時。不過，已擬訂出一些能縮短校準過程的方法，包括利用電子校準模塊(Ecal)，它在不影響測量質量的情況下只用N個連接步驟來提供已校測量的全NxN矩陣。傳統(tǒng)的機械校準則要求多于N2個步驟。

除傳統(tǒng)的S參數(shù)測量之外，許多集成元件還要求對噪聲和失真特性進行表征的內部放大器。目前的測量解決方案是用于多個測試設備的一次連接，但將這些先進功能進一步組合到單一平臺是不可避免的。20世紀90年代的84000測試儀擁有許多這樣的功能。就像網絡分析儀從8542演變?yōu)?720一樣，我們看到體現(xiàn)84000大部分功能的新型臺式儀器的出現(xiàn)。對這些元件分析儀提出的要求是，為各種的需要提供足夠滿意的測量手段。網絡分析儀要求一個極快的掃頻源，但這從根本上是與構建一個為互調測量所要求的有良好相位噪聲和低失真的信號源相矛盾。

通過采用窄接收機帶寬所取得的網絡分析儀的寬動態(tài)范圍則與噪聲測量所要求的寬帶寬相矛盾。所有這些使問題進一步復雜化，因為許多移動通信系統(tǒng)都是時域雙工系統(tǒng)而要求進行脈沖測量。這類設備可能包括變頻以及平衡輸入或輸出。所有這些要求必須在不放棄快速測量吞吐量的決定性要求下予以滿足。

最后，上述測量中的每項測量都必須校準，以確保一致、可重復和可溯源的結果。安捷倫的新型PNA-X型網絡分析儀已具備解決這些任務的基本條件。PNA-X(圖8)引導向增強網絡分析儀功能方向的轉化，以包括超出傳統(tǒng)S參數(shù)范圍的測量。

圖8. PNA-X元器件分析儀

展望未來

將傳統(tǒng)網絡分析儀與更復雜的激勵-響應測試系統(tǒng)相結合的協(xié)同作用，改善了測量結果的總精度和校準，因為網絡分析儀功能允許對測試設備與被測件之間的失配和互作用進行表征。同時，激勵的類型正演變到包括復合調制、噪聲甚至直流驅動。被測的響應變得更加復雜，要求對數(shù)據進行完善的后處理。因此，將多功能元件集合到單一被測件中會推動將多功能測試集合到單一的相干測試系統(tǒng)的發(fā)展。

一些新應用軟件，如PNA中的變頻器應用軟件(它提供了首次完全經修正的矢量混頻器校準)將繼續(xù)改進，并擴大到諸如帶嵌入本振的變頻器和數(shù)字射頻測量這樣一些領域。元件對一個端口具有數(shù)字接口，而對另一個端口則具有射頻接口。這類元件要求目前的邏輯分析儀和協(xié)議分析儀同射頻信號源和頻譜分析儀相結合。

正如通信網絡正向分布式發(fā)展那樣，存在著使測試分布在整個系統(tǒng)內的推動力。為了對這些系統(tǒng)進行維修和支持，需要便攜式和手持式儀器。這些小型儀器需要具有以前只在多機箱系統(tǒng)中才存在的功能。多機箱系統(tǒng)的功能需分布在整個被設立在遠處的網絡上，也許甚至要嵌入其中。一些技術(如IEEE Standard 1588標準“精密時間協(xié)議”)將允許在這類網絡上實現(xiàn)數(shù)據與觸發(fā)同步。

人們也許試圖作出對參數(shù)測試的需要可能會消失的結論。為什么對每個元件不進行功能測試?事實上，盡管功能測試將提供在生產進程末端可能采用方便的合格/不合格測試，但一些必須加以驗證的功能可能會變得如此復雜，以致為確保每個裝置工作在所有環(huán)境下而使真正的功能測試不切實際。例如，一個無線電系統(tǒng)的輸入濾波器設計用于去除干擾信號。檢驗存在其它信號時系統(tǒng)是否正確的功能測試可能意味著要構建各種可能的干擾信號場景，并對誤碼率(BER)進行測試。檢驗這種系統(tǒng)的更有效的方法可能是將掃描正弦信號加到系統(tǒng)的輸入端，并確定系統(tǒng)的截止特性。但是，隨著元件之間的界面變得更難于接近，將需要確認設計和控制制造進程的新方法。

目前，有可能將Agilent邏輯分析儀嵌入到FPGA設計中。今后，只要能對最終的設計結果進行測試，那么，復雜的激勵/響應功能乃至整個網絡分析儀都有可能直接設計到射頻電路中。隨著元件之間的界面變得更加復雜以及更難探測，組合元件測試似乎可能是檢驗未來若干代射頻和微波系統(tǒng)唯一合乎邏輯的解決方案。 結束語 我們已經認識到元件和網絡分析儀的相互促進有助于加速技術進步。展望未來，這種相互提攜現(xiàn)象還是會不斷在模擬過程中發(fā)生，并將測試嵌入在芯片自身內部。網絡分析儀將用來確定芯片組成部分的基本特性，利用模擬引擎檢驗芯片和嵌入的測試儀器設計。

在電子器件以外甚至小到納米尺度的材料特性測量領域，激勵/響應表征特性的方式(網絡分析儀的長處)也存在著不小的機遇。這些新應用和新測量的涌現(xiàn)將使網絡分析儀在今后許多年都能位于重要的地位。

網絡分析儀校準簡史 Ken Wang

網絡分析儀(即矢量測量儀器)擁有應用誤差修正技術來改善其精度的獨特能力。最初，利用短路方式來建立反射幅度的最大電平。精密傳輸線、滑動負載和滑動短路器被用作阻抗標準。精密衰減器，如活塞式衰減器和旋轉翼片可變衰減器，用來建立傳輸損耗參考電平。潤滑脂筆等用來在CRT顯示器上或儀表顯示器上標出參考電平。這類校準方法能消除某些標量誤差。8407和8410掃頻矢量網絡分析儀使之能修正某些矢量誤差。8542使全矢量誤差修正首次成為可能。還可能使一些非理想標準，如開路標準，由器件模型定義。短路-開路-負載-直通校準已全面啟用。

對矢量網絡分析儀(VNA)校準方法研究的升溫帶來了一系列直通-反射-傳輸線校準方式。這類校準已在8510上執(zhí)行。測量精度變得受校準標準精度的限制。因此，引入了超精密參考傳輸線和無縫隙陰接觸。為了簡化校準而發(fā)明了電子校準、一次連接和軟件控制的順序校準過程。多端口、差動及非線性校準方法和標準是當前的任務。